Many tall buildings possess through-building gaps at middle levels of the building elevation. Some of these floors are used as sky gardens, or refuge floors, through which wind can flow with limited blockage. It has been reported in the literature that through-building gaps can be effective in reducing across-wind excitation of tall buildings. This paper systematically examines the effectiveness of two configurations of a through-building gap, at the mid-height of a tall building, in reducing the wind-induced dynamic responses of the building. The two configurations differ in the pattern of through-building opening on the gap floor, one with opening through the central portion of the floor and the other with opening on the perimeter of the floor around a central core. Wind forces and moments on the building models were measured with a high-frequency force balance from which dynamic building responses were computed. The results show that both configurations of a through-building gap are effective in reducing the across-wind excitation with the one with opening around the perimeter of the floor being significantly more effective. Wind pressures were measured on the building faces with electronic pressure scanners to help understand the generation of wind excitation loading. The data suggest that the through-building gap reduces the fluctuating across-wind forces through a disturbance of the coherence and phase-alignment of vortex excitation.
This paper presents results of calculations performed according to our own semi-empirical mathematical model of critical vortex excitation. All calculations are carried out using own computer program, which allows the simulation of both the across-wind action caused by vortices and the lateral response of analysed structures. Vortex excitation simulations were performed in real time taking into account wind-structure interaction. Several structures of circular cross-sections were modelled using a FEM program and calculated under the action of critical vortex excitation. Six steel chimneys, six concrete chimneys and two concrete towers were considered. The method of selection and estimation of the experimental parameters describing the model are also presented. Finally, the results concerning maximum lateral top displacements of the structures are compared with available full-scale data for steel and concrete chimneys.
This paper presents theoretical background for a semi-empirical, mathematical model of critical vortex excitation of slender structures of compact cross-sections. The model can be applied to slender tower-like structures (chimneys, towers), and to slender elements of structures (masts, pylons, cables). Many empirical formulas describing across-wind load at vortex excitation depending on several flow parameters, Reynolds number range, structure geometry and lock-in phenomenon can be found in literature. The aim of this paper is to demonstrate mathematical background of the vortex excitation model for a theoretical case of the structure section. Extrapolation of the mathematical model for the application to real structures is also presented. Considerations are devoted to various cases of wind flow (steady and unsteady), ranges of Reynolds number and lateral vibrations of structures or their absence. Numerical implementation of the model with application to real structures is also proposed.
Excitation mechanism of interference effect between two tall buildings is investigated with wind tunnel experiments. Synchronized building surface pressure and flow field measurements by particle image velocimetry (PIV) are conducted to explore the relationship between the disturbed wind flow field and the consequent wind load modification for twin buildings in tandem. This reveals evident excitation mechanisms for the fluctuating across-wind loads on the buildings. For small distance (X/D < 3) between two buildings, the disturbed flow pattern of impaired vortex shedding is observed and the fluctuating across-wind load on the downstream building decreases. For larger distance ($X/D{\geq}3$), strong correlation between the across-wind load of the downstream building and the oscillation of the wake of the upstream building is found. By further analysis with conditional sampling and phase-averaged techniques, the coherent flow structures in the building gap are clearly observed and the wake oscillation of the upstream building is confirmed to be the reason of the magnified across-wind force on the downstream building. For efficient PIV measurement, the experiments use a square-section high-rise building model with geometry scale smaller than the usual value. Interference factors for all three components of wind loads on the building models being surrounded by another identical building with various configurations are measured and compared with those from previous studies made at large geometry scale. The results support that for interference effect between buildings with sharp corners, the length scale effect plays a minor role provided that the minimum Reynolds number requirement is met.
The excessive wind-induced motion of tall buildings most frequently result from vortex shedding induced across-wind oscillations. This form of excitation is most pronounced far relatively flexible, lightweight and lightly damped structure, e.g. tall building. This paper discusses aerodynamic means for mitigating the across-wind vortex shedding induced in such situations. Emphasis is on the change of the building cross section to design the building with openings from side to side which provide pressure equalization and tend to reduced the effectiveness of across-wind forces by reducing their magnitudes and disrupting their spatial correlation. Wind tunnel test have been carried out on the Kumoh National University of Technology using rigid models with twenty-four kinds of opening shapes. Form these results, the effective opening shape, size and location for building to reducing wind-induced vortex shedding and responses are pointed out.
This paper presents an analytical method which takes into account the non-linearity of individual members, and discusses some case study results. It also discusses the relationship between member non-elastic behavior and excitation duration, and the relationship between member fracture and overall structure behavior. It is clearly demonstrated that the frame already shows almost unstable behavior due to long-columnization just before the occurrence of a column fracture. Then, a column fracture immediately induces a structural collapse mechanism.
KIEE International Transaction on Electrical Machinery and Energy Conversion Systems
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제5B권4호
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pp.331-336
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2005
With increasing emphasis on non-conventional energy systems and autonomous power generation, development of improved and appropriate generating systems has recently taken on greater significance. This paper describes the performance analysis of a single phase self-excited induction generator (SEIG), suitable for autonomous/standby power systems. The system is also appropriate for wind energy systems and small portable systems. Both windings of the induction machine, the main and the auxiliary, are utilized. One winding will be devoted to the supply excitation current only, by being connected to the excitation capacitor, while the load is connected across the other winding. As the design of excitation, the minimum of self-excited capacitor connected auxiliary winding is determined as the suitable value using a circuit equation of auxiliary winding. For the steady state analysis, the equivalent circuit of the single-phase induction generators is used as a basis for modeling using the double-revolving field theory. The validity of the designed generator system is confirmed by experimental and computed results.
A new computational approach for the rain load on the transmission tower is presented to obtain the responses of system subjected to the wind and rain combined excitations. First of all, according to the similarity theory, the aeroelastic modeling of high-voltage transmission tower is introduced and two kinds of typical aeroelastic models of transmission towers are manufactured for the wind tunnel tests, which are the antelope horn tower and pole tower. And then, a formula for the pressure time history of rain loads on the tower structure is put forward. The dynamic response analyses and experiments for the two kinds of models are carried out under the wind-induced and wind-rain-induced actions with the uniform and turbulent flow. It has been shown that the results of wind-rain-induced responses are bigger than those of only wind-induced responses and the rain load influence on the transmission tower can't be neglected during the strong rainstorm. The results calculated by the proposed method have a good agreement with those by the wind tunnel test. In addition, the wind-rain-induced responses along and across the wind direction are in the same order of response magnitude of towers.
The inerter-based vibration absorber (IVA) is an enhanced variation of Tuned Mass Damper (TMD). The parametric optimization of absorbers in the previous research mainly considered only two decision variables, namely frequency ratio and damping ratio, and aimed to minimize peak displacement and acceleration individually under the excitation of the across-wind load. This paper extends these efforts by minimizing two conflicting objectives simultaneously, i.e., the extreme displacement and acceleration at the top floor, under the constraint of the physical mass. Six decision variables are optimized by adopting a constrained multi-objective evolutionary algorithm (CMOEA), i.e., NSGA-II, under fluctuating across- and along-wind loads, respectively. After obtaining a set of optimal individuals, a decision-making approach is employed to select one solution which corresponds to a Tuned Mass Damper Inerter/Tuned Inerter Damper (TMDI/TID). The optimization procedure is applied to parametric optimization of TMDI/TID installed in a 340-meter-high building under wind loads. The case study indicates that the optimally-designed TID outperforms TMDI and TMD in terms of wind-induced vibration mitigation under different wind directions, and the better results are obtained by the CMOEA than those optimized by other formulae. The optimal TID is proven to be robust against variations in the mass and damping of the host structure, and mitigation effects on acceleration responses are observed to be better than displacement control under different wind directions.
강풍으로 유발되는 고층건축물의 풍진동은 주로 와류에 의한 풍직각방향의 진동에 의하여 발생한다. 이러한 진동은 단면형상이 일정한 유연하고, 경량이며, 경감쇠인 고층건축물인 경우 가장 심하게 발생한다. 본 논문은 와류에 기인한 풍직각방향의 진동을 저감시키기 위한 공역학적인 방법을 논한 것이다. 항력 및 횡력방향의 압력을 균등화하고 또한 양방향의 공간적인 간섭을 분산시키고, 풍직각 방향으로 작용하는 풍력의 크기를 효율적으로 감소시키기 위하여 건축물의 풍방향 및 풍직각방향에 중공부를 설치하였다. 실험모형은 모두 형상비가 8:1이 되도록 하였고, 중공부의 형상은 2종류, 크기는 2종류, 위치는 6종류로 변화시킨 총 24종류의 모형을 제작하여 풍력실험을 실시한 후 각 모형에 대한 풍방향 및 풍직각방향의 변위응답특성을 조사하였다. 최종적으로 중공부를 가진 모형의 효율성을 분석하기 위하여 중공부를 가진 모형에 대한 결과를 중공부가 없는 정사각형 각주의 변위응답 특성과 비교 분석하여 중공부의 형상 변화, 크기 변화, 위치 변화에 따른 풍진동의 저감효과의 정도를 정량적으로 규명하였다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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