Bodhinayake, Geeth G.;Ginger, John D.;Henderson, David J.
Wind and Structures
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v.30
no.3
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pp.219-229
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2020
Net pressures on roofs and walls of buildings are dependent on the internal and external pressure fluctuations. The variation of internal and external pressures are influenced by the size and location of the openings. The correlation of external and internal pressure influences the net pressures acting on cladding on different parts of the roof and walls. The peak internal and peak external pressures do not occur simultaneously, therefore, a reduction can be applied to the peak internal and external pressures to obtain a peak net pressure for cladding design. A 1:200 scale wind tunnel model study was conducted to determine the correlations of external and internal pressures and effective reduction to net pressures (i.e., net pressure factors, FC) for roof and wall cladding. The results show that external and internal pressures on the windward roof and wall edges are well correlated. The largest ${\mathcal{C}}_{{\check{p},net}$, highest correlation coefficient and the highest FC are obtained for different wind directions within 90° ≤ θ ≤ 135°, where the large openings are on the windward wall. The study also gives net pressure factors FC for areas on the roof and wall cladding for nominally sealed buildings and the buildings with a large windward wall opening. These factors indicate that a 5% to 10% reduction to the action combination factor, KC specified in AS/NZS 1170.2(2011) is possible for some critical design scenarios.
Corner cut, corner chamfered or a building shape change are adopted in the design of tall buildings to achieve aerodynamic superiority as well as response reduction. Kikuchi et.al pointed out that large negative peak external pressures can appear near the inside corner of set-back low rise buildings. It is therefore necessary to pay attention to facade design around steps in building surfaces. Peak wind pressures for corner cut or corner chamfered configurations are given in the AIJ code. However, they cannot be applied where there are many variations of vertical and horizontal steps. There has been no previous systematic research on peak wind pressures around steps in building surfaces. In this study, detailed phenomenon of peak wind pressures around steps in buildings are investigated focusing on vertical and horizontal distances from the building's corner.
This paper considers internal pressure fluctuations for a range of building volumes and dominant wall opening areas. The study recognizes that the air flow in and out of the dominant opening in the envelope generates Helmholtz resonance, which can amplify the internal pressure fluctuations compared to the external pressure, at the opening. Numerical methods were used to estimate fluctuating standard deviation and peak (i.e. design) internal pressures from full-scale measured external pressures. The ratios of standard deviation and peak internal pressures to the external pressures at a dominant windward wall opening of area, AW are presented in terms of the non-dimensional opening size to volume parameter, $S^*=(a_s/\bar{U}_h)^2(A_W^{3/2}/V_{Ie})$ where $a_s$ is the speed of sound, $\bar{U}_h$ is the mean wind speed at the top of the building and $V_{Ie}$ is the effective internal volume. The standard deviation of internal pressure exceeds the external pressures at the opening, for $S^*$ greater than about 0.75, showing increasing amplification with increasing $S^*$. The peak internal pressure can be expected to exceed the peak external pressure at the opening by 10% to 50%, for $S^*$ greater than about 5. A dominant leeward wall opening also produces similar fluctuating internal pressure characteristics.
The low-rise buildings with gable roofs are commonly used in a number of industries. In order to study the characteristics of peak external pressure coefficient on low-rise buildings with gable roofs, wind-tunnel test have been carried out. Wind-induced pressures were measured simultaneously at many points on wind-pressure models, typical of simple low-rise buildings with gable roofs, which have seven different roof slope with constant width(D), height(H), and length(D). The pressure measurements were made in one kind of turbulent boundary layer, which simulated the natural winds over typical suburban terrains at a geometric scale of 1/150. The results indicate that peak external pressure coefficient on the roof and wall edges were increased. The results compared with wind standard of KBC-2005 and standards of various nations. The comparative resultant, experimental result appeared very similar at AIJ-2004. But the results were somewhat larger then wind standard of KBC-2005.
Wind tunnel testing of a low-rise building with openings (holes) of different sizes and shapes on a roof corner is conducted to measure the internal and external pressures from the building model. Detailed analysis of the testing data is carried out to investigate the characteristics of the internal and external pressures of the building with different openings' configurations. Superimposition of the internal and external pressures makes the emergence of positive net pressures on the roof. The internal pressures demonstrate an overall uniform distribution. The probability density function (PDF) of the internal pressures is close to the Gaussian distribution. Compared with the PDF of the external pressures, the non-Gaussian characteristics of the net pressures weakened. The internal pressures exhibit strong correlation in frequency domain. There appear two humps in the spectra of the internal pressures, which correspond to the Helmholtz frequency and vortex shedding frequency, respectively. But, the peak for the vortex shedding frequency is offset for the net pressures. Furthermore, the internal pressure characteristics indirectly reflect that the length of the front edge enhances the development of the conical vortices.The objective of this study aims to further understanding of the characteristics of internal, external and net pressures for low-rise buildings in an effort to reduce wind damages to residential buildings.
Journal of Korean Association for Spatial Structures
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v.13
no.1
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pp.51-57
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2013
There can be diverse causes in the destruction of a large space structure by strong wind such as characteristics of construction materials and changes in internal and external wind pressure of the structure. To evaluate the wind pressure of roof against the large space structure, wind pressure experiment is performed. However, in this wind pressure experiment, peak internal pressure coefficient is set according to the opening of the roof in Korea wind code. In this article, it was tried to identify the change of internal pressure coefficient and the characteristics of wind pressure coefficient acting on the roof by two kinds of opening on the side of the structure with Hyperbolic Paraboloid Spatial Structures roof. When analyzing internal pressure coefficient according to roof shape, it was found that minimum (52%) and maximum (30%~80%) overestimation was made comparing to partial opening type proposed in the current wind load. It is judged that evaluation according to the opening rate of the structure should be made to evaluate the internal pressure coefficient according to load.
Journal of Korean Association for Spatial Structures
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v.11
no.2
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pp.63-70
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2011
Livestock buildings are rural facilities as vulnerable to natural disasters as vinyl houses. Many of livestock buildings have a roof but without side walls. The roof of such structures is easily blown away by a typhoon and this results in a heavy loss. Therefore, farmers install winch curtains on the sides to prevent damages caused by typhoons. This study purposed to examine the distribution of wind pressure coefficient among different positions of livestock shed roof according to the opening of side walls. It was found that according to the distribution of peak external pressure coefficient on the roof surface of livestock shed, the wind blowing at wind angle $0^{\circ}$ was disadvantageous to roof surface regardless of the presence of side walls. However, it was confirmed that the peak external pressure coefficient was affected by wind angle and the length of eave depending on the presence of side walls.
In coastal residential communities, especially along the coastline, flooding is a frequent natural hazard that impacts the area. To reduce the adverse effects of flooding, it is recommended to elevate coastal buildings to a certain safe level. However, post storm damage assessment has revealed severe damages sustained by elevated buildings' components such as roofs, walls, and floors. By elevating a structure and creating air gap underneath the floor, the wind velocity increases and the aerodynamics change. This results in varying wind loading and pressure distribution that are different from their slab on grade counterparts. To fill the current knowledge gap, a large-scale aerodynamic wind testing was conducted at the Wall of Wind experimental facility to evaluate the wind pressure distribution over the surfaces of a low-rise gable roof single-story elevated house. The study considered three different stilt heights. This paper presents the observed changes in local and area averaged peak pressure coefficients for the building surfaces of the studied cases. The aerodynamics of the elevated structures are explained. Comparisons are done with ASCE 7-16 and AS/NZS 1170.2 wind loading standards. For the floor surface, the study suggests a wind pressure zoning and pressure coefficients for each stilt height.
The wind-induced transient response of internal pressure following the creation of a sudden dominant opening during the occurrence of high external pressure, in low-rise residential and industrial buildings was numerically investigated. The values of the ill-defined parameters namely the flow contraction coefficient, loss coefficient and the effective slug length were calibrated by matching the analytical response with the computational fluid dynamics predictions. The effect of a sudden i.e., "instantaneously created" windward opening in the Texas Technical University (TTU) test building envelope was studied for two different envelope flexibility-leakage combinations namely: (1) a quasi-statically flexible and non-porous envelope and (2) a quasi-statically flexible and porous envelope. The responses forced by creating the openings at different time leads/lags with respect to the occurrence of the peak external pressure showed that for cases where the openings are created in close temporal proximity to the peak pressure, the transient overshoot values of internal pressure could be higher than the peak values of internal pressure in the pre-sequent or subsequent resonant response. In addition, the influence of time taken for opening creation on the level of overshoot was also investigated for the TTU building for the two different envelope characteristics. Non-dimensional overshoot factors are presented for a variety of cavity volume-opening area combinations for (1) buildings with rigid/quasi-statically flexible non-porous envelope, and (2) buildings with rigid/quasi-statically flexible and porous envelope (representing most low rise residential and industrial buildings). While the factors appear slightly on the high side due to conservative assumptions made in the analysis, a careful consideration regarding the implication of the timing and magnitude of such overshoots during strong gusts, in relation to the steady state internal pressure response in cyclonic regions, is warranted.
An analytical model of internal pressure response of a leaky and quasi-statically flexible building with a dominant opening is provided by including the effect of the envelope external pressure fluctuations on the roof, in addition to the fluctuating external pressure at the dominant opening. Wind tunnel experiments involving a flexible roof and different building porosities were carried out to validate the analytical predictions. While the effect of envelope flexibility is shown to lower the Helmholtz frequency of the building volume-opening combination, the lowering of the resonant peak in the internal and net roof pressure coefficient spectra is attributed to the increased damping in the system due to inherent background leakage and envelope flexibility. The extent of the damping effects of "skin" flexibility and background leakage in moderating the internal and net pressure response under high wind conditions is quantified using the linearized admittance functions developed. Analytical examples provided for different combinations of background leakage and envelope flexibility show that alleviation of internal and net pressure fluctuations due to these factors by as much as 40 and 15% respectively is possible compared to that for a nominally sealed rigid building of the same internal volume and opening size.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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