Application of simulation methods of stochastic processes to vortex excitation

• Autorzy: Lipecki T. , Flaga A.

Identyfikatory

DOI

10.1515/ace-2017-0006

Warianty tytułu

PL

Zastosowanie metod symulacji procesów losowych do wzbudzenia wirowego

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

A description of direct simulation of crosswind loads caused by critical vortex excitation and the response of the structure to these loads are presented in this paper. Tower-like structures of circular cross-sections are considered. A proposed mathematical model of vortex excitation has been numerically implemented and a selfserving computer program was created for the purpose. This software, cooperating with the FEM system, allows for a simulation of a crosswind load and lateral response in real time, meaning that at each time step of the calculations the load is generated using information regarding displacements seen beforehand. A detailed description of the mathematical model is neglected in this paper, which is focused on numerical simulations. WAWS and AR methods are used in simulations.

PL

W pracy przedstawiono opis bezpośredniej symulacji obciążenia poprzecznego wiatrem powodowanego wzbudzeniem wirowym oraz odpowiedzi konstrukcji na to obciążenie. Analizowano konstrukcje wieżowe o kołowym przekroju poprzecznym (kominy stalowe, żelbetowe, wieże stalowe). Wyjaśniono podstawowe założenia modelu matematycznego obciążenia i jego implementacji numerycznej. W tym celu stworzono własny program komputerowy oparty na współpracy z komercyjnym systemem metody elementów skończonych, pozwalający na symulację obciążenia poprzecznego wzbudzeniem wirowym i odpowiedzi konstrukcji w czasie rzeczywistym. Na każdym kroku czasowym obliczeń, obciążenie poprzeczne jest generowane na podstawie informacji o przemieszczeniach konstrukcji uzyskanych z kroków poprzednich. W pracy pominięto dokładny opis modelu matematycznego i jego numerycznej implementacji, skupiając się na metodach symulacji. Wzbudzenie wirowe jest procesem losowym o charakterze wąsko lub szeroko pasmowym. Tak więc, do jego symulacji można wykorzystywać metody symulacji procesów losowych. W pracy rozpatrzono dwie: WAWS (weighted amplitude wave superposition) i AR (auto-regressive).

Słowa kluczowe

EN

wind impact; vortex excitation; WAWS; AR; simulation; stochastic process; tower-like structure; circular cross-section

PL

oddziaływanie wiatru; wzbudzenie wirowe; WAWS; AR; symulacja; proces stochastyczny; konstrukcja wieżowa; przekrój kołowy

• Wydawca: Komitet Inżynierii Lądowej i Wodnej PAN ; Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Lądowej
• Czasopismo: Archives of Civil Engineering
• Rocznik: 2017
• Tom: Vol. 63, nr 1
• Strony: 77--98
• Opis fizyczny: Bibliogr. 35 poz., il.

Twórcy

autor

Lipecki T.

• Lublin University of Technology, Faculty of Civil Engineering and Architecture, Lublin, Poland

autor

Flaga A.

• Cracow University of Technology, Faculty of Civil Engineering, Cracow, Poland

Bibliografia

• 1 M. Shinozuka, C.M. Jan, “Digital simulation of random processes and its application”, Journal of Sound and Vibrations 25(1): 111–128, (1972).
• 2. M. Shinozuka, “Stochastic mechanics”, vol. I., Columbia University, New York, 1987.
• 3. C. Borri, F. Crocchini, L. Facchini, P. Spinelli, “Numerical simulation of stationary and non-stationary stochastic processes: a comparative analysis for turbulent wind fields”, Proc. 9th International Conference on Wind Engineering, "Retrospect and Prospect", vol. 1, New Delhi, 47–55, 1995.
• 4. C. Borri, “Generation procedures of stationary random processes simulating wind time series”, Sezione Strutture 11, University of Florence, Italy, 1988.
• 5. A. Flaga, E. Błazik-Borowa, J. Podgórski, “Aerodynamics of slender structures and bar-cable structures”, Monograph, Lublin Technical University, 2004 (in Polish).
• 6. A. Iannuzzi, P. Spinelli, “Artificial wind generation and structural response”, Journal of Structural Engineering 113(12): 2382-2398, 1987.
• 7. P. Spinelli, “The generation of wind histories for time domain analysis of structural response to wind action”, Sezione Strutture 4, University of Florence, Italy, 1986.
• 8. M. Di Paola, I. Gullo, “Digital generation of multivariate wind field processes”, Probabilistic Engineering Mechanics 16: 1–10, 2001.
• 9. A. Kareem, “Numerical simulation of wind effects: A probabilistic perspective”, Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics 96: 1472-1497, 2008.
• 10. F. Ubertini, F. Giuliano, “Computer simulation of stochastic wind velocity fields for structural response analysis: comparisons and applications”, Advances in Civil Engineering, ID 749578, 2010.
• 11. J. Li, X. Wang, “An exponential model for fast simulation of multivariate non-Gaussian processes with application to structural wind engineering”, Probabilistic Engineering Mechanics 30: 37–47, 2012.
• 12. J. Li, L. Li, X. Wang, “A combined polynomial transformation and proper orthogonal decomposition approach for generation of non-Gaussian wind loads on large roof structures”, Engineering Structures 102: 322–343, 2015.
• 13. L. Carassale, G. Solari, “Monte Carlo simulation of wind velocity fields on complex structures”, Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics 94: 323–339, 2006.
• 14. M. Ciampoli, F. Petrini, G. Augusti, “Performance-Based Wind Engineering: Towards a general procedure”, Structural Safety 33: 367–378, 2011.
• 15. V. Sepe, P. D’Asdia, “Influence of low-frequency wind speed fluctuations on the aeroelastic stability of suspension bridges”, Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics 91 1285–1297, 2003.
• 16. W. Chunming, M. Bin, S. Tingting, “Research on the wind-induced vibration coefficient of transmission tower-line system”, Physics Procedia 24: 149–154, 2012.
• 17. T. Wang, W. Han, F. Yang, W. Kong, “Wind-vehicle-bridge coupled vibration analysis based on random traffic flow simulation”, Journal of Traffic and Transportation Engineering 1(4): 293–308, 2014.
• 18. M. Tomko, S. Kmet, R. Soltys, “Vibrations of an aramid anchor cable subjected to turbulent wind”, Advances in Engineering Software 72: 39–56, 2014.
• 19. Y. Li, H. Liao, S. Qiang, “Simplifying the simulation of stochastic wind velocity fields for long cable-stayed bridges”, Computers and Structures 82: 1591–1598, 2004.
• 20. F. Cluni, V. Gusella, F. Ubertini, “A parametric investigation of wind-induced cable fatigue”, Engineering Structures 29: 3094–3105, 2007.
• 21. K. Aas-Jakobsen, E. Strømmen, “Time domain buffeting response calculations of slender structures”, Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics 89: 341–364, 2001.
• 22. A. Flaga, J. Bęc, T. Lipecki, “Dynamic wind analysis of the cable-stayed bridge in Wrocław”, [in] Recent Advances in Research on Environmental Effects on Buildings and People (Flaga A., Lipecki T. eds), Monograph, PAWE, pp. 119–130, 2010.
• 23. T. Lipecki, J. Bęc, G. Bosak, A. Flaga, “Aerodynamic analysis of a sinusoidal footbridge for pedestrian and bicycle traffic”, Roads and Bridges 12(3): 297–316, 2013.
• 24. J. Bęc, T. Lipecki, A. Flaga, G. Bosak, “Model investigations and numerical analysis of an arch shaped footbridge”, Roads and Bridges 12(4): 339–360, 2013.
• 25. J. Maeda, M. Makino, “Characteristics of gusty winds simulated by an ARMA model”, Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics 41–44: 427–436, 1992.
• 26. E. Samaras, M. Shinozuka, A. Tsurui, “ARMA representation of random processes”, ASCE Journal of Engineering Mechanics 111(3): 449–461, 1985.
• 27. N.N. Minh, T. Miyata, H. Yamada, Y. Sanada, “Numerical simulation of wind turbulence and buffeting analysis of long-span bridges”, Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics 83: 301–315, 1999.
• 28. M.T. Chay, F. Albermani, R. Wilson, “Numerical and analytical simulation of downburst wind loads”, Engineering Structures 28: 240–254, 2006.
• 29. M.T. Chay, R. Wilson, F. Albermani, “Gust occurrence in simulated non-stationary winds”, Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics 96: 2161–2172, 2008.
• 30. H. Zhang, L. Liu, M. Dong, H. Sun, “Analysis of wind-induced vibration of fluid-structure interaction system for isolated aqueduct bridge”, Engineering Structures 46: 28–37, 2013.
• 31. A. Flaga, “Wind vortex-induced excitation and vibration of slender structures. Single structure of circular cross-section normal to flow”, Monograph 202, Cracow, Poland, 1996.
• 32. A. Flaga, T. Lipecki, “Code approaches to vortex shedding and own model”, Engineering Structures 32: 1530–1536, 2010.
• 33. T. Lipecki, A. Flaga, “Vortex excitation model. Part I. Mathematical description and numerical implementation”, Wind & Structures 16(5): 457–476, 2013.
• 34. T. Lipecki, A. Flaga, “Vortex excitation model. Part II. Application to real structures and validation”, Wind & Structures 16(5): 477–490, 2013.
• 35. ESDU 85038. Circular-cylindrical structures: dynamic response to vortex shedding. Part I: calculation procedures and derivation, London, ESDU Int. Ltd, 1990.

Uwagi

Opracowanie ze środków MNiSW w ramach umowy 812/P-DUN/2016 na działalność upowszechniającą naukę (zadania 2017).