The estimation of the extreme wind load (effect) under a mean recurrence interval (MRI) is an important task in the wind-resistant design for the structure. It can be predicted by either first-order method or full-order method, depending on the accuracy and complexity requirement. Although the first-order method with the consideration of wind directionality has been proposed, less work has been done on the full-order method, especially with the wind directionality. In this study, the full-order method considering the wind directionality is proposed based on multivariate joint probability distribution. Meanwhile, considering two wind directions, the difference of the corresponding results based on the first-order method and full-order method is analyzed. Finally, based on the measured wind speed data, the discrepancy between these two methods is investigated. Results show that the difference between two approaches is not obvious under larger MRIs while the underestimation caused by the first-order method can be larger than 15% under smaller MRIs. Overall, the first-order method is sufficient to estimate the extreme wind load (effect).
This study presents a dynamic response analysis of operational and parked wind turbines in order to gain better understanding of the roles of wind loads on turbine blades and tower in the generation of turbine response. The results show that the wind load on the tower has a negligible effect on the blade responses of both operational and parked turbines. Its effect on the tower response is also negligible for operational turbine, but is significant for parked turbine. The tower extreme responses due to the wind loads on blades and tower of parked turbine can be estimated separately and then combined for the estimation of total tower extreme response. In current wind turbine design practice, the tower extreme response due to the wind loads on blades is often represented as a static response under an equivalent static load in terms of a concentrated force and a moment at the tower top. This study presents an improved equivalent static load model with additional distributed inertial force on tower, and introduces the square-root-of-sum-square combination rule, which is shown to provide a better prediction of tower extreme response.
Kim, Dong-Hyun;Lee, Jang-Ho;Tran, Thanh-Toan;Kwak, Young-Seob;Song, Jin-Seop
Journal of Wind Energy
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v.5
no.1
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pp.22-32
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2014
The structural design of a wind turbine must show the verification of the structural integrity of all load-carrying components. Also, design load calculations shall be performed using appropriate and accurate methods. In this study, advanced numerical approach for the calculation of design loads based on unsteady computational fluid dynamics (CFD) is presented considering extreme design load conditions such as the extreme coherent gust (ECG) and the 50 year extreme operating gust (EOG). Unsteady aerodynamic loads are calculated based on Reynolds average Navier-Stokes (RANS) equations with shear-stress transport k-ω(SST k-ω) turbulent model. A full three-dimensional 5 MW offshore wind-turbine model with rotating blades, hub, nacelle, and tower configuration is practically considered and its aerodynamic interference effect among blades, nacelle, and tower is also accurately considered herein. Calculated blade loads based on unsteady CFD method with respect to blade azimuth angle are compared with those by NREL FAST code and physically investigated in detail.
Local transient extreme wind loads caused by group tower-related interference are among the major reasons that lead to wind-induced damage of super-large cooling towers. Four-tower arrangements are the most commonly seen patterns for super-large cooling towers. We considered five typical four-tower arrangements in engineering practice, namely, single row, rectangular, rhombic, L-shaped, and oblique L-shaped. Wind tunnel tests for rigid body were performed to determine the influence of different arrangements on static and dynamic wind loads and extreme interference effect. The most unfavorable working conditions (i.e., the largest overall wind loads) were determined based on the overall aerodynamic coefficient under different four-tower arrangements. Then we calculated the one-, two- and three-dimensional aerodynamic loads under different four-tower arrangements. Statistical analyses were performed on the wind pressure signals in the amplitude and time domains under the most unfavorable working conditions. On this basis, the non-Gaussian distribution characteristics of aerodynamic loads on the surface of the cooling towers under different four-tower arrangements were analyzed. We applied the Sadek-Simiu procedure to the calculation of two- and three-dimensional aerodynamic loads in the cooling towers under the four-tower arrangements, and the extreme wind load distribution patterns under the most unfavorable working conditions in each arrangement were compared. Finally, we proposed a uniform equation for fitting the extreme wind loads under the four-tower arrangements; the accuracy and reliability of the equation were verified. Our research findings will contribute to the optimization of the four-tower arrangements and the determination of extreme wind loads of super-large cooling towers.
Kim, Dae-Young;Kim, Ji-Young;Kim, Han-Young;Lee, Myung-Ho;Kim, Sang-Dae
한국공간정보시스템학회:학술대회논문집
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2004.05a
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pp.245-251
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2004
This paper discuss the conditionally sampled actual wind pressure distributions causing peak quasi-static wind loads in the large span roofs using the wind pressures at many locations on dome models measured simultaneously in a wind tunnel. The actual extreme pressure distributions are compared itk load-response-correlation (LRC) method and the quasi-steady pressure distributions. Based on the results, the reason for the discrepancy in the LRC pressure distribution and the actual extreme pressure distribution are discussed. Futhermore, a brief discussion is made of the equivalent static wind load estimation for the large span roofs.
In coastal regions, it is common to witness significant damages on low-rise buildings caused by hurricanes and other extreme wind events. These damages start at high pressure zones or weak building components, and then cascade to other building parts. The state-of-the-art in experimental and numerical aerodynamic load evaluation is to assume buildings with intact envelopes where wind acts only on the external walls and correct for internal pressure through separate aerodynamic studies. This approach fails to explain the effect of openings on (i) the external pressure, (ii) internal partition walls; and (iii) the load sharing between internal and external walls. During extreme events, non-structural components (e.g., windows, doors or rooftiles) could fail allowing the wind flow to enter the building, which can subject the internal walls to lateral loads that potentially can exceed their load capacities. Internal walls are typically designed for lower capacities compared to external walls. In the present work, an anticipated damage development scenario is modelled for a four-story building with a stepped gable roof. LES is used to examine the change in the internal and external wind flows for different level of assumed damages (starting from an intact building up to a case with failure in most windows and doors are observed). This study demonstrates that damages in non-structural components can increase the wind risk on the structural elements due to changes in the loading patterns. It also highlights the load sharing mechanisms in low rise buildings.
The expediency of revising universal rules for the combination of gravity and lateral actions of wind force-resisting steel structures recommended by the Standards EN 1990 and ASCE/SEI 7-05 is discussed. Extreme wind forces, gravity actions and their combinations for the limit state design of structures are considered. The effect of statistical uncertainties of extreme wind pressure and steel yield strength on the structural safety of beam-column joints of wind force-resisting multistory steel frames designed by the partial factor design (PFD) and the load and resistance factor design (LRFD) methods is demonstrated. The limit state criterion and the performance process of steel frame joints are presented and considered. Their long-term survival probability analysis is based on the unsophisticated method of transformed conditional probabilities. A numerical example illustrates some discrepancies in international design standards and the necessity to revise the rule of universal combinations of loads in wind and structural engineering.
Considering wind speed uncertainty, reliability analysis of the LNG unloading arm at Tongyoung Production Site was performed. Extreme distribution of wind speed was estimated from the data collected at the weather center and wind load was calculated using wind velocities and coefficients of wind pressure. The unloading arm was modeled with plate and solid elements. Contact elements were used to describe the interface between base of structure andground. Response surface for maximum effective stress was found for reliability analysis and then reliability functions was defined and used to determine exceeding probability of allowable and yield stresses. In addition, sensitivity analysis was also performed to estimate the effect of possible material deterioration in the future.
In order to examine the effects of different wind deflectors on the wind load distribution characteristics of extra-large cooling towers, a comparative study of the distribution characteristics of wind pressures on the surface of three large cooling towers with typical wind deflectors and one tower without wind deflector was conducted using wind tunnel tests. These characteristics include aerodynamic parameters such as mean wind pressures, fluctuating wind pressures, peak factors, correlation coefficients, extreme wind pressures, drag coefficients and vorticity distribution. Then distribution regularities of different wind deflectors on global and local wind pressure of extra-large cooling towers was extracted, and finally the fitting formula of extreme wind pressure of the cooling towers with different wind deflectors was provided. The results showed that the large eddy simulation (LES) method used in this article could be used to accurately simulate wind loads of such extra-large cooling towers. The three typical wind deflectors could effectively reduce the average wind pressure of the negative pressure extreme regions in the central part of the tower, and were also effective in reducing the root of the variance of the fluctuating wind pressure in the upper-middle part of the windward side of the tower, with the curved air deflector showing particularly. All the different wind deflectors effectively reduced the wind pressure extremes of the middle and lower regions of the windward side of the tower and of the negative pressure extremes region, with the best effect occurring in the curved wind deflector. After the wind deflectors were installed the drag coefficient values of each layer of the middle and lower parts of the tower were significantly higher than that without wind deflector, but the effect on the drag coefficients of layers above the throat was weak. The peak factors for the windward side, the side and leeward side of the extra-large cooling towers with different wind deflectors were set as 3.29, 3.41 and 3.50, respectively.
While establishing adequate load paths in the light-frame wood structures is critical to maintain the overall structural integrity and avoid significant damage under extreme wind events, the understanding of the load paths is limited by the high redundant nature of this building type. The objective of the current study is to evaluate the system effects and investigate the load paths in the wood structures especially the older buildings for a better performance assessment of the existing building stock under high winds, which will provide guidance for building constructions in the future. This is done by developing building models with configurations that are suspicious to induce failure per post damage reconnaissance. The effect of each configuration to the structural integrity is evaluated by the first failure wind speed, amajor indicator beyond the linear to the nonlinear range. A 3D finite-element (FE) building model is adopted as a control case that is modeled using a validated methodology in a highly-detailed fashion where the nonlinearity of connections is explicitly simulated. This model is then altered systematically to analyze the effects of configuration variations in the model such as the gable end sheathing continuity and the gable end truss stiffness, etc. The resolution of the wind loads from scaled wind tunnel tests is also discussed by comparing the effects to wind loads derived from large-scale wind tests.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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