background image

X L V I I I   K O N F E R E N C J A   N AU K O W A 

KOMITETU  INŻ YNIERII  LĄ DOWEJ  I  WODNEJ  PAN 

I  KOMITETU  NAUKI  PZITB 

Opole – Krynica

 

2002

 

 
 
 
 
 
 
Tadeusz CHMIELEWSKI

1

 

Piotr GÓ RSKI

2

 

Bernd BEIROW

Joachim KRETZSCHMAR

3

 

 
 
 

COMPARISON OF THEORETICAL AND EXPERIMENTAL  

FREE VIBRATIONS OF HIGH INDUSTRIAL CHIMNEY 

INTERACTING WITH SOIL 

 
 

1.  Introduction 

 
Theoretical frequencies and mode shapes of the high multi-flue industrial chimney, which is 
located in the power station of Opole, interacting with soil have been evaluated through the 
application of the finite element method and published in the paper [1]. The results were also 
presented at the Krynica Conference [2]. 

The  aim  of  the  present  paper  is  to  study  the  free  vibrations  of  this  chimney  by 

dynamical  testing  in  full  scale  to  confirm  a  calculation  model  and  to  obtain  important 
information on the effect of soil interacting with the chimney. 
 

2.  The Industrial Chimney and Its Measuring Device 

 
The most appropriate method to investigate the soil effect on free vibrations of the industrial 
chimney was to measure the free vibrations response of the chimney in full scale because the 
actual  structure  was  available.  The  general  view  of  the  chimney  and  the  most  important 
dimensions are given in Fig. 1, its cross-section is shown in Fig. 3. 

The  vibration  measurements  are  focussed  on  determination  of  the  lowest  natural 

frequencies and mode shapes. Applying high sensitive geophone sensors measuring vibration 
velocities  which  frequencies  down  to  0.2  Hz  can  be  recorded.  The  measuring  chain  is 
completed by a frontend system and a laptop controlling the measurement and it is shown in 
Fig. 2. The excitation due to wind load is permanently present and generally corresponds to a 
white noise if the measuring time for each point is at least 20 minutes. That means that the 
spectra of vibration response are dominated by the natural frequencies (see Section 3) [3]. 
 

                                                 

1

  Prof. dr hab. inż., Technical University of Opole 

2

  Mgr inż., Technical University of Opole 

3

  Dr.-Ing., Brandenburgische Technische Universität Cottbus 

background image

 

28 

 

Fig. 1. Industrial chimney of Opole power station –  general view and longitudinal section 

 
 

Geophone 2 (Rover)

Frontend

Geophone 1 (Reference)

Laptop

+150

6

+ 120

5

4

3

+ 180

+ 220

2

+ 200

1

+ 240

z

+ 250

24,0

A

A

 

 

Fig. 2. Points of measurement and measuring devices 

 

background image

 

29 

 

Fig. 3. Position of geophone sensor in the cross-section and definition of coordinates 

 

The  additional  determination  of  mode  shapes  requires  the  application  of  two 

geophones  operating  simultaneously.  For  this  purpose  altogether  6  measuring  points  in  the 
upper part of the chimney are chosen (Fig. 2). While one geophone is fixed at the reference 
point 1 near the top of the tower, the second one is moved step by step from point 1 at the 
level of 240 m down to the level of 120 m. From the ratio of associated peak amplitudes in 
the  vibration  response  spectra  of  the  two  actual  points  the  ordinate  of  the  corresponding 
mode shape at the actual location of the roving sensor can be determined.  
 

3.  Results 

 
Fig.  4  shows  representative  Fourier  spectra  of  vibration  response  due  to  the  wind  load 
evaluated from measurement data at the reference point (December 2001). It can be seen that 
the  spectra  are  dominated  each  by  two  well  separated  peaks  representing  the  lowest  two 
natural frequencies for the corresponding direction. The peaks are specified by the numerical 
values  of  the  frequencies.  Additionally,  considering  the  velocity  amplitudes  which  can  be 
assigned  to  a  certain  natural  frequency  for  both  the  fixed  and  the  roving  sensor 
corresponding to the first and second mode shapes are determined and shown in Fig. 5. The 
signs  of  the  mode  shape  ordinates  result  from  the  comparison  of  the  phase  angles  in  the 
frequency domain. 

The first and second mode shapes in x and y directions determined from measurements 

and these mode shapes calculated on the basis of the theoretical assumptions given in paper 
[1]  for  different  values  of  the  shear  wave  velocity  “s”  are  presented  in  Figs.  6-8.  Fig.  9, 
Tables  1  and  2  depict  the  comparison  of  the  values  of  the  fundamental  and  second  period 
taken from measurements and calculations. 

background image

 

30 

0

1

2

3

4

5

f [Hz]

0.0001

0.001

0.01

0.1

x [mm/s]

0

1

2

3

4

5

f [Hz]

0.0001

0.001

0.01

0.1

y [mm/s]

0.21

1.08

1.10

0.22

18,25

.

.

 

Fig. 4. Fourier spectra of velocity response at the height of 240 m / point 1 (2-hour-average) 

 

Fig. 5. Mode shapes in x- and y-direction determined from measurement –  the first  

and second mode shapes 

background image

 

31 

 

Fig. 6. The comparison of the first and second mode shapes taken from computation  

and experiment, s=150 m/s 

 
 

 

 

 

Fig. 7. The comparison of the first and second mode shapes taken from computation  

and experiment, s=200 m/s 

background image

 

32 

 

Fig. 8. The comparison of the first and second mode shapes taken  

from computation and experiment, s=250 m/s 

 

Table 1. The comparison of computational and experimental values of the fundamental period of the chimney 

First period T

1

, s 

The comparison values 

Values from measurements 

Shear wave 

 velocity „ s” 

Calculation 

values 

x-x direction 

y-y direction 

100

3

.

kol

3

.

kol

2

.

kol

×

-

100

4

.

kol

4

.

kol

2

.

kol

×

-

s = 150 m/s 

4,786 

5,30 

0,50 

s = 200 m/s 

4,627 

1,80 

2,83 

s = 250 m/s 

4,551 

0,13 

4,43 

s = 300 m/s 

4,508 

0,81 

5,33 

s = 

¥

 

3,909 

4,545 

4,762 

13,99 

17,91 

 

Table 2. The comparison of computational and experimental values of the second period of the chimney 

Second period T

2

, s 

The comparison values 

Values from measurements 

Shear wave 

 velocity „ s” 

Calculation 

values 

x-x direction 

y-y direction 

100

3

.

kol

3

.

kol

2

.

kol

×

-

100

4

.

kol

4

.

kol

2

.

kol

×

-

s = 150 m/s 

0,985 

6,37 

8,36 

s = 200 m/s 

0,940 

1,51 

3,41 

s = 250 m/s 

0,918 

0,86 

0,99 

s = 300 m/s 

0,906 

2,16 

0,33 

s = 

¥

 

0,743 

0,926 

0,909 

19,76 

18,26 

background image

 

33 

 

 

Fig. 9. The comparison of computational and experimental values of the fundamental period 

(a) and the second period (b) of the chimney 

 

 

 

 

 

 

 

Fig. 10. Computation of MAC-values in x- (left) and y- (right) direction, s = 250 m/s 

 
Considering the computation of Modal Assurance Values (MAC, Fig. 10.) for the first 

two  mode  shapes  in  x-  and  y-directions,  good  agreement  of  the  mode  shapes  from 

1

2

mod

e (e

xpe

rime

ntal

)

1

2

mod

e (c

om

puta

tiona

l)

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

M

A

C

0.1151

0.0916

0.9991

0.9821

1

2

mod

e (e

xpe

rime

ntal

)

1

2

mod

e (c

om

puta

tiona

l)

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

M

A

C

0.1155

0.0879

0.9994

0.9899

background image

 

34 

experimental  data  and  numerical  computation  is  confirmed.  Main  diagonal  elements 
approximate  the  ideal  value  of  one.  Elements  of  the  secondary  diagonal  move  around  0.1 
which means that different mode shapes can be interpreted to be linearly independent. 

 

4.  Conclusions 

 
Based  on  an  application  of  two  geophone  sensors  for  an  experimental  investigation  of  the 
free vibration behaviour for the 250 m high chimney of the Opole Power Station the first and 
second natural frequencies and mode shapes could be seperated. It has been shown that  an 
adjustment  of  a  numerical  model  which  satisfies  the  standard  of  civil  engineering  can  be 
realized  varying  the  stiffness  representing  the  soil  –   foundation  unit.  With  regard  to  the 
fundamental period, an approximation of less than 5,4 % in x –  and 5,4 % in y –  directions 
(for  four  values  of  “s”)  was  achieved.  Especially  in  case  of  comparatively  stiff  structures 
where the fundamental period is dominating this kind of approach is promising. Based on the 
adjusted  numerical  model  more  realistic  computations  of  the  forced  response  due  to  the 
across and along wind loads are possible.  

 

References 

 
[1]  GÓ RSKI  P.,  CHMIELEWSKI  T.,  Free  Vibrations  of  High  Industrial  Chimney 

Interacting with Soil (in Polish), Inż ynieria i Budownictwo, 9/2001, pp. 528-530. 

[2]  GÓ RSKI  P.,  CHMIELEWSKI  T.,  Free  Vibrations  of  High  Industrial  Chimney 

Interacting  with  Soil  (in  Polish),  Proc.  of  the  XLVIII  Scientific  Conference  of  KILiW 
PAN i KN PZITB
, Krynica, 16-21 September, 2001 Vol. 2 pp. 67-72.   

[3]  LUZ  E.,  Zur  experimentellen  Modalanalyse  von  Bauwerken,  Materialprüfung,  No.  28, 

pp. 301-306, 1986 (in German). 

 
 

PORÓ WNANIE TEORETYCZNEJ I DOŚWIADCZALNEJ  

ANALIZY DRGAŃ WŁ ASNYCH  

WYSOKIEGO KOMINA PRZEMYSŁ OWEGO  

Z UWZGLĘ DNIENIEM PODATNOŚCI PODŁ OŻA GRUNTOWEGO 

 

 

Streszczenie 

 

W  pracy  przedstawiono  doświadczalną   analizę  drgań  swobodnych  komina  przemysłowego 
Elektrowni  Opole,  otrzymaną   na  podstawie  testów  dynamicznych  przeprowadzonych  na 
rzeczywistym  obiekcie  i  porównanie  jej  z  wynikami  teoretycznymi,  otrzymanymi  z 
uwzględnieniem  podatności  podłoża  gruntowego  pod  fundamentem  komina.  Wzajemne 
porównanie  obu  analiz  pozwoliło  na  uzyskanie  ważnych  informacji  na  temat  współpracy 
podłoża  gruntowego  z  konstrukcją   komina.  Różnice  wyników  eksperymentalnych  w 
stosunku  do  wyników  teoretycznych  są   małe  i  potwierdzają   konieczność  uwzględniania 
wpływu podatności podłoża gruntowego na odpowiedź  dynamiczną  wysokich kominów.