In this study an analytical expression is derived for the natural frequency of the wind turbine towers supported on flexible foundation. The derivation is based on a Euler-Bernoulli beam model where the foundation is represented by a stiffness matrix. Previously the natural frequency of such a model is obtained from numerical or empirical method. The new expression is based on pure physical parameters and thus can be used for a quick assessment of the natural frequencies of both the real turbines and the small-scale models. Furthermore, a relationship between the diagonal and non-diagonal element in the stiffness matrix is introduced, so that the foundation stiffness can be obtained from either the p-y analysis or the loading test. The results of the proposed expression are compared with the measured frequencies of six real or model turbines reported in the literature. The comparison shows that the proposed analytical expression predicts the natural frequency with reasonable accuracy. For two of the model turbines, some errors were observed which might be attributed to the difference between the dynamic and static modulus of saturated soils. The proposed analytical solution is quite simple to use, and it is shown to be more reasonable than the analytical and the empirical formulas available in the literature.
Yi, Jin-Hak;Kim, Sun-Bin;Yoon, Gil-Lim;Andersen, Lars Vabbersgaard
Wind and Structures
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v.21
no.6
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pp.625-639
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2015
Monopiles have been most widely used for supporting offshore wind turbines (OWTs) in shallow water areas. However, multi-member lattice-type structures such as jackets and tripods are also considered good alternatives to monopile foundations for relatively deep water areas with depth ranging from 25-50 m owing to their technical and economic feasibility. Moreover, jacket structures have been popular in the oil and gas industry for a long time. However, several unsolved technical issues still persist in the utilization of multi-member lattice-type supporting structures for OWTs; these problems include pile-soil-interaction (PSI) effects, realization of dynamically stable designs to avoid resonances, and quick and safe installation in remote areas. In this study, the effects of PSI on the dynamic properties of bottom-fixed OWTs, including monopile-, tripod- and jacket-supported OWTs, were investigated intensively. The tower and substructure were modeled using conventional beam elements with added mass, and pile foundations were modeled with beam and nonlinear spring elements. The effects of PSI on the dynamic properties of the structure were evaluated using Monte Carlo simulation considering the load amplitude, scouring depth, and the uncertainties in soil properties.
Kim, Seok-Hyun;Nam, Yoon-Soo;Yoo, Neung-Soo;Park, Mu-Yeol;Kim, Tae-Hyoung;Park, Hae-Gyun
Journal of Industrial Technology
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v.26
no.A
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pp.75-80
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2006
A vibration monitoring is performed on a 1kW class stand alone wind turbine(W/T). When a W/T model is developed, general performance under various wind condition should be verified to introduce the product in the market. Especially, vibration characteristics within operating speed range are very important in the aspect of structural stability as well as generator's electrical efficiency. This paper examines the vibration performance of a home made 1kW W/T. Various data of the W/T model are acquired in real time using a remote vibration monitoring system installed in Daekwanryung test site. Vibration stability of the W/T structure is diagnosed based upon the data and the result is used to estimate the applicability of the W/T model.
Transactions of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering
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v.23
no.5
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pp.407-413
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2013
This paper deals with the analysis of dynamic characteristics of mooring system of floating-type offshore wind turbine. A spar-type floating structure which consists of a nacelle, a tower and the platform excepting blades, is used to model the floating wind turbine and connect three catenary cables to substructure. The motion of floating structure is simulated when the mooring system is attached using irregular wave Pierson-Moskowitz model. The mooring system is analyzed by changing cable position of floating structure. The dynamic behavior characteristics of mooring system are investigated comparing with cable tension and 6-dof motion of floating structure. These characteristics are much useful to initial design of floating-type structure. From the simulation results, the optimized design parameter that is cable position of connect point of mooring cable can be obtained.
The present study developed a numerical simulation tool for the coupled dynamic analysis of multiple turbines on a single floater (or Multiple Unit Floating Offshore Wind Turbine (MUFOWT)) in the time domain, considering the multiple-turbine aero-blade-tower dynamics and control, mooring dynamics, and platform motions. The numerical tool developed in this study was designed based on and extended from the single-turbine analysis tool FAST to make it suitable for multiple turbines. For the hydrodynamic loadings of floating platform and mooring-line dynamics, the CHARM3D program developed by the authors was incorporated. Thus, the coupled dynamic behavior of a floating base with multiple turbines and mooring lines can be simulated in the time domain. To investigate the effect of asymmetric aerodynamic loading on the global performance and mooring line tensions of the MUFOWT, one turbine failure case with a fully feathered blade pitch angle was simulated and checked. The aerodynamic interference between adjacent turbines, including the wake effect, was not considered in this study to more clearly demonstrate the influence of the asymmetric aerodynamic loading on the MUFOWT. The analysis shows that the unbalanced aerodynamic loading from one turbine in MUFOWT may induce appreciable changes in the performance of the floating platform and mooring system.
Seungyeon Lee;Seunghoon Seo;Seungjun Kim;Chulsang Yoo;Goangseup Zi
Computers and Concrete
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v.33
no.5
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pp.509-518
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2024
In this study, we investigated the effect of shear-key placement on the performance of grouted connections in offshore wind-turbine structures. Considering the challenges of height control during installation, we designed and analyzed three grouted connection configurations. We compared the crack patterns and strain distribution in the shear keys under axial loading. The results indicate that the misalignment of shear keys significantly influences the ultimate load capacity of grouted connections. Notably, when the shear keys were positioned facing each other, the ultimate load decreased by approximately 15%, accompanied by the propagation of irregular cracks in the upper shear keys. Furthermore, the model with 50% misalignment in the shear-key placement exhibited the highest ultimate strength, indicating a more efficient load resistance than the reference model. This indicates that tensile-load-induced cracking and the formation of compressive struts in opposite directions significantly affect the structural integrity of grouted connections. These results demonstrate the importance of considering buckling effects in the design of grouted connections, particularly given the thin and slender nature of the inner sleeves. This study provides valuable insights into the design and analysis of offshore wind-turbine structures, highlighting the need for refined design formulas that account for shifts in shear-key placement and their structural implications.
Journal of Advanced Marine Engineering and Technology
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v.41
no.3
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pp.230-237
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2017
In this study, electrochemical methods were used to determine the optimum protection potential of S355ML steel for the cathodic protection of offshore wind-turbine-tower substructures. The results of potentiodynamic polarization experiments indicated that the anodic polarization curve did not represent a passivation behavior, while under the cathodic polarization concentration, polarization was observed due to the reduction of dissolved oxygen, followed by activation polarization by hydrogen evolution as the potential shifted towards the active direction. The concentration polarization region was found to be located between approximately -0.72 V and -1.0 V, and this potential range is considered to be the potential range for cathodic protection using the impressed current cathodic protection method. The results of the potentiostatic experiments at various potentials revealed that varying current density tended to become stable with time. Surface characterization after the potentiostatic experiment for 1200 s, by using a scanning electron microscope and a 3D analysis microscope confirmed that corrosion damage occurred as a result of anodic dissolution under an anodic polarization potential range of 0 to -0.50 V, which corresponds to anodic polarization. Under potentials corresponding to cathodic polarization, however, a relatively intact surface was observed with the formation of calcareous deposits. As a result, the potential range between -0.8 V and -1.0 V, which corresponds to the concentration polarization region, was determined to be the optimum potential region for impressed current cathodic protection of S355ML steel.
The characteristics of the basic statistics and steadiness of wind and the monthly normality test of surface wind distribution are investigated by using the observed wind data compiled from 10m meteorological observation tower at Seocheon district, where is located In the western coastal region of Korea. during the period from Feb. 7, 1996 to Feb. 7 1997 The northerly is appeared to be even in August and Sepember due to the influences of loccal circulation such as land and sea breeze. The correlation coefacients between two wind components are seemed to be positive during the in the period of from June to September and negative from October to April, respectively The constancy of wand Is high In shifts to lower values Increasing sampling time. It is found from monthly normality test based on the skewness and the excess of kurtosis coefficients that the distribution of zonal wind component is normal In spring and meridional one Is normal in late summer and early autumn.
At the University of Western Ontario (UWO), numerical tools represented in semi-closed form solution for the conductors and finite element modeling of the lattice tower were developed and utilized significantly to assess the behavior of transmission lines under downburst wind fields. Although these tools were validated against other finite element analyses, it is essential to validate the findings of those tools using experimental data. This paper reports the first aeroelastic test for a multi-span transmission line under simulated downburst. The test has been conducted at the three-dimensional wind testing facility, the WindEEE dome, located at the UWO. The experiment considers various downburst locations with respect to the transmission line system. Responses obtained from the experiment are analyzed in the current study to identify the critical downburst locations causing maximum internal forces in the structure (i.e., potential failure modes), which are compared with the failure modes obtained from the numerical tools. In addition, a quantitative comparison between the measured critical responses obtained from the experiment with critical responses obtained from the numerical tools is also conducted. The study shows a very good agreement between the critical configurations of the downburst obtained from the experiment compared to those predicted previously by different numerical studies. In addition, the structural responses obtained from the experiment and those obtained from the numerical tools are in a good agreement where a maximum difference of 16% is found for the mean responses and 25% for the peak responses.
The intensive meteorological observations including pibal balloon at Ungcheon, airsonde and 10m meteorological tower observations at Gulup-Do, where are located In the western coastal region, are taken to Investigate the characteristics of the upper and lower atmospheric structure and the local circulation pattern during the period of 17 to 22 September 1996. The diurnal variations of weather elements(i.e. air temperature, humidity, pressure, and Und speeds at Gulup-Do are analyzed and discussed with those at four inland meteorological stations. The vertical profiles of wind vector, ortho- gonality(Ω), and shear obtained from the pibal obsenrations are also presented to examine the change of wand structure according to the synoptic-scale pressure system's movement. The diurnal temperature changes at Gulup-Do are more sensitive than that of Inland meteorological stations In case of the mow of southwesterlies but are not dominant due to the ocean effect under the Influence of relatively cold northerlies. A well defined mixed layer Is developed from the 500m to the maximum 1700m with a significant capping Inversion layer on the top of it. It can be found from the vertical profiles of wind vector that the wind become generally strong at the interface heights between cloud lay- ers and non-cloud layers. The maximum Und shear Is appeared at the bel각t where the varlauon of wand direction Induced by the passage of synoptic-scale pressure system Is accompanied with the In- crease of Und speed. Based on the wind orthogonality, the change of wind direction with height is more complicated In cloudy day than In clear day. In case of a fair weather, the change of wand direction is showed to be at around 2km.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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