Wind-excited vibrations of slender structures can induce fatigue damage and cause structural failure without exceeding ultimate limit state. Unfortunately, the growing importance of this problem is coupled with an evident lack of simple calculation criteria. This paper proposes a mathematical method for evaluating the crosswind fatigue of slender vertical structures, which represents the dual formulation of a parallel method that the authors recently developed with regard to alongwind vibrations. It takes into account the probability distribution of the mean wind velocity at the structural site. The aerodynamic crosswind actions on the stationary structure are caused by the vortex shedding and by the lateral turbulence, both schematised by spectral models. The structural response in the small displacement regime is expressed in closed form by considering only the contribution of the first vibration mode. The stress cycle counting is based on a probabilistic method for narrow-band processes and leads to analytical formulae of the stress cycles histogram, of the accumulated damage and of the fatigue life. The extension of this procedure to take into account aeroelastic vibrations due to lock-in is carried out by means of ESDU method. The examples point out the great importance of vortex shedding and especially of lock-in concerning fatigue.
A particle tuned mass damper (PTMD) system is the combination of a traditional tuned mass damper (TMD) and a particle damper (PD). This paper presents the results of an experimental and analytical study of the damping performance of a PTMD attached to the top of a benchmark model under wind load excitation. The length ratio of the test model is 1:200. The vibration reduction laws of the system were explored by changing some system parameters (including the particle material, total auxiliary mass ratio, the mass ratio between container and particles, the suspending length, and wind velocity). An appropriate analytical solution based on the concept of an equivalent single-unit impact damper is presented. Comparison between the experimental and analytical results shows that, with the proper use of the equivalent method, reasonably accurate estimates of the dynamic response of a primary system under wind load excitation can be obtained. The experimental and simulation results show the robustness of the new damper and indicate that the damping performance can be improved by controlling the particle density, increasing the amount of particles, and aggravating the impact of particles etc.
The design and performance of HTMD(hybrid tuned mass dampers) are evaluated for the response control of a md excited 76-story benchmark building. When a HTMD utilizes active control forces, the optimally designed TMD (Tuned Mass Damper) generates the modal separation at the first natural frequency resulting in difficulties for applying active control forces additionally. Whereas, the modal separation does no occur if the un is designed with the non-optimally designed TMD is used. Therefore, the response control performance of the HTMD with a non-optimally designed TMD is better that one with an optimally designed TMD. Further, the non-optimally designed TMD has an advantage of smaller stroke than the optimally designed TMD relieving the difficulty of limited strokes.
본 연구의 목적은 능동제어기의 최적 제어력을 산정하는 과정에서 추정된 응답을 사용하기 위하여 고층건물의 풍응답을 정확하게 추정하는 것이다. 응답 추정을 위하여 칼만필터를 사용하였으며, 진동대에 설치된 3층 축소모형 구조물을 사용하여 추정 정확도를 검증하였다. 사용된 모델의 시스템 행렬은 시스템 식별에 의해 얻어진 모드 정보를 바탕으로 구성되었다. 가속도 응답으로부터 추정된 변위는 변위계로 계측된 변위와 거의 일치하는 결과를 보였다. 마지막으로 태풍 무이파에 의해 가진된 실제 39층 건축물의 풍응답을 추정하였다.
Low-frequency building vibration is known to induce symptoms of motion sickness in some occupants. This paper examines how the adoption of a theory of motion sickness, in conjunction with a dose-response model might inform the real-world problem of managing and designing standards for tall building motion sway. Building designers require an understanding of human responses to low-dosage motion that is not adequately considered by research into motion sickness. The traditional framework of Sensory Conflict Theory is contrasted with Postural Instability Theory. The most severe responses to motion (i.e., vomiting) are not experienced by occupants of wind-excited buildings. It is predicted that typical response sets to low-dosage motion (sleepiness and fatigue), which has not previously been measured in occupants of tall-buildings, are experienced by building occupants. These low-dose symptoms may either be masked from observation by the activity of occupants or misattributed to the demands of a typical working day. An investigation of the real-world relationship between building motion and the observation of low-dose motion sickness symptoms and a degradation of workplace performance would quantify these effects and reveal whether a greater focus on designing for occupant comfort is needed.
One of the next frontiers in structural wind engineering is the design of tall buildings using performance-based approaches. Currently, tall buildings are being designed using provisions in the building codes and standards to meet an acceptable level of public safety and serviceability. However, recent studies in wind and earthquake engineering have highlighted the conceptual and practical limitations of the code-oriented design methods. Performance-based wind design (PBWD) is the logical extension of the current wind design approaches to overcome these limitations. Towards the development of PBWD, in this paper, we systematically review the advances made in this field, highlight the research gaps, and provide a basis for future research. Initially, the anatomy of the Wind Loading Chain is presented, in which emphasis was given to the early works of Alan G. Davenport. Next, the current state of practice to design tall buildings for wind load is presented, and its limitations are highlighted. Following this, we critically review the state of development of PBWD. Our review on PBWD covers the existing design frameworks and studies conducted on the nonlinear response of structures under wind loads. Thereafter, to provide a basis for future research, the nonlinear response of simple yielding systems under long-duration turbulent wind loads is studied in two phases. The first phase investigates the issue of damage accumulation in conventional structural systems characterized by elastic-plastic, bilinear, pinching, degrading, and deteriorating hysteretic models. The second phase introduces methods to develop new performance objectives for PBWD based on joint peak and residual deformation demands. In this context, the utility of multi-variate demand modeling using copulas and kernel density estimation techniques is presented. This paper also presents joined fragility curves based on the results of incremental dynamic analysis. Subsequently, the efficiency of tuned mass dampers and self-centering systems in controlling the accumulation of damage in wind-excited structural systems are investigated. The role and the need for explicit modeling of uncertainties in PBWD are also discussed with a case study example. Lastly, two unified PBWD frameworks are proposed by adapting and revisiting the Wind Loading Chain. This paper concludes with a summary and a proposal for future research.
KIEE International Transactions on Power Engineering
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제3A권1호
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pp.27-34
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2003
In this paper, the power conditioner composed of the stand-alone single-phase squirrel cage rotor type self-excited induction generator (SEIG) driven by prime movers such as a wind turbine and a micro gas turbine (MGT) is presented by using the steady-state circuit analysis based on the two nodal admittance approaches using the per-unit frequency in addition to a new state variable defined by the per-unit slip frequency along with its performance evaluations for the stand-alone energy utilizations. The stande-alone single-phase SEIG operating performances in unregulated voltage control loop are then evaluated on line under the conditions of the speed change transients of the prime mover and the stand-alone electrical passive load power variations with the simple theoretical analysis and the efficient computation processing procedures described in the part I of this paper. In addition, a feasuible PI controlled feedback closed-loop voltage regulation scheme of the stande-alone single-phase SEIG is designed on the basis of the static VAR compensate. (SVC) and discussed in experiment for the promising stand-alone power conditioner. The experimental operating performance results are illustrated and give good agreements with the simulation ones. The simulation and experimental results of the stand-alone single-phase SEIG with the simple SVC controller for its stabilized voltage regulation prove the practical effectiveness of the additional SVC control loop scheme including the PI controller with fast response characteristics and steady-sate performance improvements.
The active structural control has emerged as structural safety of structures against natural loadings such as earthquake and wind loadings. Of many control algorithms, Sliding-Mode Control (SMC) can design both linear controller and nonlinear controller. The robustness against parameter variations as well as excitation uncertainties that is imparted to the SMC due to its nonlinear control action, could make SMC an attractive control algorithm when dealing with structures where the external excitation constitutes the main uncertainty in the system. This paper demonstrates experimentally the efficacy of the SMC algorithm based on the active mass driver system in reducing the response of seismically excited buildings. The SMC control strategy is verified with the experimental study on the one-story building model equipped with the active mass driver.
The post-flutter state of streamlined steel box girder is studied in this paper. Firstly, the nonlinear aerodynamic self-excited forces of the bridge deck cross section were investigated by CFD dynamic mesh technique and then the nonlinear flutter derivatives were identified on this basis. Secondly, based on the 2-degree-of-freedom (DOF) coupling flutter theory, the torsional amplitude and the nonlinear flutter derivatives were introduced into the traditional direct flutter calculation method, and the original program was improved to the "post-flutter state analysis program" so that it can predict not only the critical flutter velocity but also the movement of the girder in the post-flutter state. Finally, wind tunnel tests were set to verify the method proposed in this paper. The results show that the effect of vertical amplitude on the nonlinear flutter derivatives is negligible, but the torsional amplitude is not; with the increase of wind speed, the post-flutter state of streamlined steel box girder includes four stages, namely, "little amplitude zone", "step amplitude zone", "linearly growing amplitude zone" and "divergence zone"; damping ratio has limited effect on the critical flutter velocity and the steady state response in the post-flutter state; after flutter occurs, the vibration form is a single frequency vibration coupled with torsional and vertical DOF.
In a low speed open-type wind tunnel, a group of parallel wakes downstream of two dimensional grid model consisting of several circular cylinders were experimentally investigated to study the response of the wake flows to the acoustic excitation, in hoping to promote the understanding of the underlying mechanism behind the gross flow change due to artificial excitation. In the unexcited wake flows, the development of the individual wakes behind cylinders was almost uniform for the ratio of the spacing to the cylinder diameter of s/d.geq.1.5. For smaller s/d, however, the jet streams issued through the gaps between the cylinders became biased in one side and the cylinders had wakes of different sizes. At s/d=1.25, the gap flow directions change in time, leading to unstable wake patterns. Further reduction in s/d made this unstable flip-flopping of the jets stable. The most effective excitation frequency was found to be in the Strouhal number range of St=0.5-0.6. This frequency was related to the vortex shedding. At s/d=1.75, the excitation frequency was 2 or 4 times the vortex shedding frequency. When the flow was excited at this frequency, the vortex sheddings were energized, and pairings between neighboring vortices were generated. Also, the merging process between individual wakes was accelerated. The unstable and unbalanced wake patterns at s/d=2.15 were made stable and balanced. The unstable and unbalanced wake patterns at s/d=2.15 were made stable and balanced. For smaller spacing of s/d .leq,1.0, the acoustic excitation became less effective in controlling the flow.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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