Natural vibrations of a tower structure in mass-changing conditions due to the icing

• Autorzy: Kowalski W. , Swierczek E.

Warianty tytułu

PL

Drgania własne konstrukcji wieżowej w warunkach zmieniającej się masy układu wskutek oblodzenia

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The study analyzed the impact of additional tower structure masses on the change of the frequency of its natural vibrations; it also made attempts to mathematical description of this impact. Considerations apply to the tower supporting the lighting system of the city stadium in Ostrowiec Świętokrzyski. The source of additional masses is the icing (frost, rime) and non-structural components constituting the technical equipment of the tower. The analysis was made by modeling by means of the Finite Element Method (FEM) of the structure with the assumption of a one parameter variation of its mass (i.e., the additional mass of all components, structural and non-structural, changes in proportion to one parameter, which is the outer surface of the element on which the ice layer is deposited). Solving the problem of natural vibrations, for subsequent models, representing different intensity of tower's icing, the following natural frequencies have been established. Thus, the increase of the ice-layer thickness on the surfaces from 0 to 2.4 cm caused the reduction of basic natural frequencies by a value, consecutively: for f1 → 26.9%; for f → 27.2%. These values are important from the point of view of technical applications. The findings allow to formulate a postulate that, in the analysis of tower's structure susceptibility to gusts of wind, structure's mass variability resulting from its possible icing was taken into consideration.

PL

W pracy dokonano analizy wpływu dodatkowych mas konstrukcji wieżowej na zmianę częstotliwości jej drgań własnych; dokonano też próby matematycznego opisu tego wpływu. Rozważania dotyczą wieży wsporczej oświetlenia stadionu miejskiego w Ostrowcu Świętokrzyskim. Źródłem dodatkowych mas jest oblodzenie (szron, szadź) oraz elementy niekonstrukcyjne stanowiące wyposażenie techniczne wieży. Analizy dokonano w drodze modelowania metodą elementów skończonych (MES) konstrukcji, przyjmując założenie o jednoparametrycznej zmienności jej masy (to znaczy, że dodatkowa masa wszystkich elementów, konstrukcyjnych i niekonstrukcyjnych zmienia się proporcjonalnie do jednego parametru, którym jest powierzchnia zewnętrzna elementu, na której odkłada się warstwa lodu). Rozwiązując zagadnienie własne drgań dla kolejnych modeli, reprezentujących różne intensywności oblodzenia wieży, wyznaczono wartości kolejnych częstotliwości drgań własnych. I tak, przyrost grubości warstwy lodu na powierzchniach, od 0 do 2,4 cm spowodował redukcję podstawowych częstotliwości drgań własnych o wartości kolejno: dla f1 → 26,9%; dla f2 → 27,2%. Są to istotne wartości z punktu widzenia zastosowań technicznych. Uzyskane wyniki pozwalają na sformułowanie postulatu, aby w analizach podatności konstrukcji wieżowych na porywy wiatru uwzględniana była zmienność masy konstrukcji wynikająca z możliwego jej oblodzenia.

Słowa kluczowe

EN

natural vibration; tower structure; tower model; mass-changing condition; icing; transmission tower; wind-induced resonance

• Wydawca: -
• Czasopismo: Acta Scientiarum Polonorum. Architectura
• Rocznik: 2016
• Tom: 15
• Numer: 2
• Opis fizyczny: p.113-128,fig.,ref.

Twórcy

autor

Kowalski W.

• Department of Rural Building, University of Agriculture in Krakow, 24/28 Mickiewicza Ave., 59-130 Krakow, Poland

autor

Swierczek E.

• University of Agriculture in Krakow, Krakow, Poland

Bibliografia

• Battista, R.C., Rodrigues, R.S., Pfeil, M.S. (2003). Dynamic behavior and stability of transmission line towers under wind forces. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, 91, 8, 1051-1067.
• Chen, B., Guo, W., Li, P., Xie, W. (2014). Dynamic Responses and Vibration Control of the Transmission Tower-Line System: A State-of-the-Art Review. Hindawi Publishing Corporation, The Scientific World Journal, 1-20.
• Clough, R.W., Penzien, J. (2003). Dynamic of Structures. McGraw-Hill, New York.
• Eliasson, A.J., Thorsteins, E. (1996). Wet snow icing combined with strong wind. Proceedings of The 7th International Workshop on Atmospheric Icing of Structures, Chicoutimi, Canada, 131-136.
• Fekr, M.R., McClure, G. (1998). Numerical modelling of the dynamic response of ice-shedding on electrical transmission lines. Atmospheric Research, 46, 1-2, 1-11.
• Fengli, Y., Jingbo, Y., Junke, H., Jie, F.D. (2010). Dynamic responses of transmission tower-line system under ice shedding. International Journal of Structural Stability and Dynamics, 10, 3, 461-481.
• Fikke, S., Ronsten, G., Heimo, A., Kunz, S., Ostrozlik, M., Persson, P.-E., Sabata, J., Wareing, B., Wichura, B., Chum, J., Laakso, T., Säntti, K., Makkonen, L. (2007). COST-727: Atmospheric Icing on Structures Measurements and data collection on icing: State of the Art. Publication of MeteoSwiss, Zürich, 75, 110.
• Gates, E.M., Narten, R., Lozowski, E.P., Makkonen, L. (1986). Marine icing and spongy ice. Proceedings of The 8th IAHR Symposium on Ice, Iowa City, USA, 153-163.
• Ge, Y. J., Tanaka, H. (2000). Aerodynamic flutter analysis of cable-supported bridges by multi-mode and full-mode approaches. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, 86, 123-153.
• Ge, Y.J., Xiang, H.F., Tanaka, H. (2000). Application of a reliability analysis model to bridge flutter under extreme winds. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, 86, 155-167.
• Harstveit, K., Tallhaug, L., Fidje, A. (2005). Ice accumulation observed by use of web camera and modelled from meteorological parameters. Proceedings of BOREAS VII "Wind energy production in cold climates", Saariselkä, Finland.
• Havard, D.G., Dyke, P.V. (2005). Effects of ice on the dynamics of overhead lines. Part II: Field data on conductor galloping, ice shedding and bundle rolling. Proceeding of The 11th. International Workshop Atmospheric Icing Structures, Montreal, Canada, 291-296.
• He, J. (1987). Identification of structural dynamic characteristics. PhD-thesis, Department of Mechanical Engineering, Imperial College, London.
• Herjen, I. (1989). Icing of offshore structures - atmospheric icing. Norwegian Marine Research, 3, 9-22.
• Icing on Structures (2006). Measurements and data collection on icing. State of the Art Publication of MeteoSwiss, 75.
• ISO 4354: Wind actions on structures.
• ISO 12494: Atmospheric icing of structures.
• Kálmán, T., Farzaneh, M., McClure, G. (2007). Numerical analysis of the dynamic effects of shock-load-induced ice shedding on overhead ground wires. Computers and Structures, 85, 7-8, 375-384.
• Kimura, S., Furumi, K., Sato, T., Tsuboi, K. (2004). Evaluation of anti-icing coatings on the surface of wind turbine blades for the prevention of ice accretion. Proceedings of The 7th International Symposium on Cold Region Development, Sapporo, Japan, CD-ROM, 63.
• Lehky, P., Sabata, J. (2005). Automated icing monitoring system. BOREAS VII 2005, Saariselkä, Finland.
• Lehky, P., Maderová, P., Kvacova, H. (2001). Automated system for icing monitoring. Project documentation for supply area of JME. EGÚ Brno, a.s. - 020 (in Czech).
• List, R. (1977). Ice accretion on structures. Journal of Glaciology, 19, 451-465.
• Macklin, W.C. (1962). The density and structure of ice formed by accretion. Quarterly Journal of Royal Meteorological Society, 88, 30-50.
• Makkonen, L. (1981). Estimating intensity of atmospheric ice accretion on stationary structures. Journal of Applied Meteorology, 20, 595-600.
• Makkonen, L. (1984). Atmospheric Icing on Sea Structures. U.S. Army CRREL Monograph, 84-2, 102, 26-27.
• Makkonen, L. (1987). Salinity and growth rate of ice formed by sea spray. Cold Regions Sci. Technol., 14, 163-171.
• Marzaneh, M., ed. (2008). Atmospheric icing of power networks. Universitě du Québec á Chicoutimi, Canada, Springer Science + Business Media B.V., Dordrecht, Netherlands.
• PN-87/B-02013. Obciążenia budowli. Obciążenia zmienne środowiskowe. Obciążenie oblodzeniem.
• Podrezov, O.A., Popov, N.I., Naumov, A.O. (1987). Intense icing in mountain regions and ways to improve ice deposit measurements. Meteorologiya i Gidrologiya, 4, 59-65.
• Shigeo, K., Sato, T., Kosugi, K. (2003). The effect of anti-icing paint on the adhesion force of ice accreted on a wind turbine blade. Proceedings of The International Meeting on Wind Power in Cold Climates BOREAS-VI, Finnish Meteorological Institute, Pyhätunturi, Finland.
• Szeszuła, W. (1990). Projekt techniczny modernizacji Stadionu Miejskiego w Ostrowcu Świętokrzyskim. Pracownia Projektowa Waldemar Szeszuła, Poznań.
• Vaculik, P., Rampl, M. (2005). Automated icing monitoring system on the territory supplied by JME. CK CIRED 2005, Tabor, Czech Republic (in Czech).
• Xie, Q., Sun, L. (2012). Failure mechanism and retrofitting strategy of transmission tower structures under ice load. Journal of Constructional Steel Research, 74, 26-36.
• Yang, F., Yang, J., Zhang, Z. (2012). Unbalanced tension analysis for UHV transmission towers in heavy icing areas. Cold Regions Science and Technology, 70, 132-140.
• Zaharov, S.G. (1984). Distribution of ice loads in the USSR. Trudy GGO, 485, 87-93.
• Zhang, X., Sun, B., Peng W. (2003). Study on flutter characteristics of cable-supported bridges. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, 91, 841-854.