In order to reveal the independent relationship between track irregularity and wind loads, the stochastic characteristics of train-bridge coupling systems subjected to wind loads were investigated by the multi-sample calculation. The vehicle was selected as 23 degrees of freedom dynamical model, and the bridge was described by three-dimensional finite element model. It was assumed that the wind loads were random processes with strong spatial correlation, while the track irregularities were stationary random ones. As a case study, a high-speed train running on a cable-stayed bridge subjected to wind loads was studied. The effect of rail irregularities was deemed to be independent of the effect of wind excitations on the coupling system in the same wind circumstance for the same project, leading to the conclusion that the effect of wind loads and moving vehicle could be calculated separately. The variance results of the stochastic responses of vehicle-bridge coupling system under the action of wind loads and rail irregularities together were equivalent to the sum of the variance of the responses induced by each excitation. Therefore, when one of the input excitations is different, only the effect of changed loads needs to be assessed. Moreover, the new calculated results were combined with the effect of unchanged loads to present the stochastic response of coupling system subjected to the different excitations, reducing the cost of computations. The stochastic characteristics, the CFD (cumulative distribution function) of the coupling system with different wind velocities, vehicle speed, and vehicle marshalling were studied likewise.
Recently, an efficient and practical method has been developed for the generation of univariate non-Gaussian wind pressure time histories on low building roofs; this methodology requires intermittent exponential random numbers for the simulation. On the other hand, the conventional spectral representation scheme with random phase is found suitable for the generation of univariate Gaussian wind pressure time histories on low building roofs; this simulation scheme requires uniform random numbers. The dependency of these simulation methodologies on the random number generator is one of the items affecting the accuracy of the simultion result; therefore, an attempt has been made to investigate the issue. This note presents the observed sensitivity of random number sets in repetitive simulations of Gaussian and non-Gaussian wind pressures.
On the basis of the first Lyapunov stability theory, this paper develops a dynamic stability criterion for elastic structural systems under arbitrary dynamic loads, and shows the stability criterion using energy variation. After the dynamic stability criterion is validated through a classic example, it is used for the dynamic stability investigation of practical guyed masts under random wind loads. The criterion is reliable, simple and of advantage for structures with large number of elements and nodes. The slack guys and internal resonance between guys and mast are two main factors which induces the dynamic instability of guyed masts, at the same time, some dynamic stability characteristics of guyed masts are found.
A novel probabilistic approach is presented for estimating the equivalent static wind loads that produce a static response of the structure, which is "equivalent" in a probabilistic sense, to the extreme dynamic responses due to the unsteady pressure random field induced by the wind. This approach has especially been developed for complex structures (such as stadium roofs) for which the unsteady pressure field is measured in a boundary layer wind tunnel with a turbulent incident flow. The proposed method deals with the non-Gaussian nature of the unsteady pressure random field and presents a model that yields a good representation of both the quasi-static part and the dynamical part of the structural responses. The proposed approach is experimentally validated with a relatively simple application and is then applied to a stadium roof structure for which experimental measurements of unsteady pressures have been performed in boundary layer wind tunnel.
This article presents a study of the largest-ever (height = 220 m) cooling tower using the large eddy simulation (LES) method. Information about fluid fields around the tower and 3D aerodynamic time history in full construction process were obtained, and the wind pressure distribution along the entire tower predicted by the developed model was compared with standard curves and measured curves to validate the effectiveness of the simulating method. Based on that, average wind pressure distribution and characteristics of fluid fields in the construction process of ultra-large cooling tower were investigated. The characteristics of fluid fields in full construction process and their working principles were investigated based on wind speeds and vorticities under different construction conditions. Then, time domain characteristics of ultra-large cooling towers in full construction process, including fluctuating wind loads, extreme wind loads, lift and drag coefficients, and relationship of measuring points, were studied and fitting formula of extreme wind load as a function of height was developed based on the nonlinear least square method. Additionally, the frequency domain characteristics of wind loads on the constructing tower, including wind pressure power spectrum at typical measuring points, lift and drag power spectrum, circumferential correlations between typical measuring points, and vertical correlations of lift coefficient and drag coefficient, were analyzed. The results revealed that the random characteristics of fluctuating wind loads, as well as corresponding extreme wind pressure and power spectra curves, varied significantly and in real time with the height of the constructing tower. This study provides references for design of wind loads during construction period of ultra-large cooling towers.
This paper presents a time-domain approach for analyzing nonlinear random vibrations of long-span suspended cables under transversal wind. A consistent continuous model of the cable, fully accounting for geometrical nonlinearities inherent in cable behavior, is adopted. The effects of spatial correlation are properly included by modeling wind velocity fluctuation as a random function of time and of a single spatial variable ranging over cable span, namely as a one-variate bi-dimensional (1V-2D) random field. Within the context of a Galerkin's discretization of the equations governing cable motion, a very efficient Monte Carlo-based technique for second-order analysis of the response is proposed. This procedure starts by generating sample functions of the generalized aerodynamic loads by using the spectral decomposition of the cross-power spectral density function of wind turbulence field. Relying on the physical meaning of both the spectral properties of wind velocity fluctuation and the mode shapes of the vibrating cable, the computational efficiency is greatly enhanced by applying a truncation procedure according to which just the first few significant loading and structural modal contributions are retained.
Proceedings of the Computational Structural Engineering Institute Conference
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1997.10a
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pp.223-230
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1997
A method of stochastic dynamic analysis of suspension bridge subjected to random wind loads has been developed in this paper. Example analyses are carried out by mode superposition method(MSM), mode acceleration method(MAM) and advanced mode acceleration method(AMAM) in frequency domain for the Nam-Hae Bridge. In this study the statistical characterics of random wind loads we assumed to be Gaussian stationary zero mean processes. The considered structural response quanties are displacements, shear forces and bending moments. The mean extreme responses are approximately calculated by three times of standard deviations. The followings are the conclusions from this study. 1. Numerical results which obtained by three methods of computer program developed in this paper agree reasonably well when the numbers of modes increase. 2. AMAM is simple, accurate, economic and reliable method compared with the MSM and the MAM.
The vulnerability of roofing components of contemporary houses built in cyclonic regions of Australia is assessed for increasing wind speeds. The wind loads and the component strengths are treated as random variables with their probability distributions derived from available data, testing, structural analysis and experience. Design details including types of structural components of houses are obtained from surveying houses and analyzing engineering drawings. Wind load statistics on different areas of the roof are obtained by wind tunnel model studies and compared with Australian/New Zealand Standard, AS/NZS 1170.2. Reliability methods are used for calculating the vulnerability of roofing components independently over the roof. Cladding and batten fixings near the windward gable edge are found to experience larger negative pressures than prescribed in AS/NZS 1170.2, and are most vulnerable to failure.
The random vibration of saddle membrane structures under wind load is studied theoretically and experimentally. First, the nonlinear random vibration differential equations of saddle membrane structures under wind loads are established based on von Karman's large deflection theory, thin shell theory and potential flow theory. The probabilistic density function (PDF) and its corresponding statistical parameters of the displacement response of membrane structure are obtained by using the diffusion process theory and the Fokker Planck Kolmogorov equation method (FPK) to solve the equation. Furthermore, a wind tunnel test is carried out to obtain the displacement time history data of the test model under wind load, and the statistical characteristics of the displacement time history of the prototype model are obtained by similarity theory and probability statistics method. Finally, the rationality of the theoretical model is verified by comparing the experimental model with the theoretical model. The results show that the theoretical model agrees with the experimental model, and the random vibration response can be effectively reduced by increasing the initial pretension force and the rise-span ratio within a certain range. The research methods can provide a theoretical reference for the random vibration of the membrane structure, and also be the foundation of structural reliability of membrane structure based on wind-induced response.
International Journal of Naval Architecture and Ocean Engineering
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v.10
no.1
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pp.9-20
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2018
Due to integrated stochastic wind and wave loads, the supporting platform of a Floating Offshore Wind Turbine (FOWT) has to bear six Degrees of Freedom (DOF) motion, which makes the random cyclic loads acting on the structural components, for instance the tower base, more complicated than those on bottom-fixed or land-based wind turbines. These cyclic loads may cause unexpected fatigue damages on a FOWT. This paper presents a study on short-term fatigue damage at the tower base of a 5 MW FOWT with a spar-type platform. Fully coupled time-domain simulations code FAST is used and realistic environment conditions are considered to obtain the loads and structural stresses at the tower base. Then the cumulative fatigue damage is calculated based on rainflow counting method and Miner's rule. Moreover, the effects of the simulation length, the wind-wave misalignment, the wind-only condition and the wave-only condition on the fatigue damage are investigated. It is found that the wind and wave induced loads affect the tower base's axial stress separately and in a decoupled way, and the wave-induced fatigue damage is greater than that induced by the wind loads. Under the environment conditions with rated wind speed, the tower base experiences the highest fatigue damage when the joint probability of the wind and wave is included in the calculation. Moreover, it is also found that 1 h simulation length is sufficient to give an appropriate fatigue damage estimated life for FOWT.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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