This paper presents the results of a set of wind tunnel tests carried out to examine wind-induced overall structural loads on rectangular medium-rise buildings. Emphasis was directed towards torsion and its correlation with peak shear forces in transverse and longitudinal directions. Two building models with the same horizontal dimensions but different gabled-roof angles ($0^{\circ}C$ and $45^{\circ}C$) were tested at different full-scale equivalent eave heights (20, 30, 40, 50, and 60 m) in open terrain exposure for all wind directions (every $15^{\circ}C$). Wind-induced pressures were integrated over building surfaces and results were obtained for along-wind force, across-wind force, and torsional moment. Maximum wind force component was given along with the other simultaneously-observed wind force components normalized by the overall peak. The study found that for flat-roofed buildings maximum torsion for winds in transverse direction is associated with 80% of the overall shear force perpendicular to the longer horizontal building dimension; and 45% of the maximum shear occurs perpendicular to the smaller horizontal building dimension. Comparison of the wind tunnel results with current torsion provisions in the American wind standard, the Canadian and European wind codes demonstrate significant discrepancies. Suggested load combination factors were introduced aiming at an adequate evaluation of wind load effects on rectangular medium-rise buildings.
Due to the irregular shape and the deviation of stiffness center and gravity center, buildings always suffer from complex surface load and vibration response under wind action. This study is dedicated to analyze the surface wind load and wind-induced response of an irregular building, and to discuss the possibility of top swimming pool as a TLD to diminish wind-induced vibration of the structure. Wind tunnel test was carried out on a hotel with irregular shape to analyze the wind load and structural response under 8 wind incident angles. Then a precise numerical model was established and calibrated through experimental results. The top swimming pool was designed according to the principle of frequency modulation, and equations of motion of the control system were derived theoretically. Finally, the wind induced response of the structure controlled by the pool was calculated numerically. The results show that both of wind loads and wind-induced responses of the structure are significantly different with wind incident angle varies, and the across-wind response is nonnegligible. The top swimming pool has acceptable damping effect, and can be designed as TLD to mitigate wind response.
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 characteristics of amplitudes and power spectra of X axial, Y axial, and RZ axial (i.e., body axis) wind forces on a 492 m high-rise building with a section varying along height in typical wind directions are studied via a rigid model wind tunnel test of pressure measurement. Then the corresponding mathematical expressions of power spectra of X axial (across-wind), Y axial (along-wind) and torsional wind forces in $315^{\circ}$ wind directions are proposed. The investigation shows that the mathematical expressions of wind force spectra of the main structure in across-wind and torsional directions can be constructed by the superimposition of an modified wind spectrum function and a peak function caused by turbulent flow and vortex shedding, respectively. While that in along-wind direction can only be constructed by the former and is similar to wind spectrum. Moreover, the fitted parameters of the wind load spectra of each measurement level of altitude are summarized, and the unified parametric results are obtained. The comparisons of the first three order generalized force spectra show that the proposed mathematical expressions accord with the experimental results well.
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.
본 연구에서는 KBC2022의 풍직각방향 변동풍하중 스펙트럼을 이용하여 풍직각방향 풍하중을 생성하고 생성된 풍직각방향 풍하중이 작용하는 구조물의 비탄성 동적거동을 해석하는 프로그램을 개발하고자 한다. 풍응답은 일차 모드가 탁월하고 소성화에 의한 진동의 변화는 작고, 풍방향 진동과 풍직각방향 진동은 독립적이며, 비틀림 진동의 영향은 작다고 가정한다. 적용 구조물을 수평방향의 단자유도 모델로 가정하고, 구조물의 질량을 집중질량으로 치환하여 상부에 작용시킨다. 비탄성 해석을 위한 이력모델은 이선형 모델을 적용한다. 강성비(𝛼)와 항복점비(𝛽)를 변수로 비탄성 동적응답을 분석한 결과 강성비가 일정한 경우에 항복점비가 증가할수록 최대변위비는 감소하다가 최소값을 나타내고 증가하는 것으로 나타났다. 강성비가 0.5이상인 경우 최대변위비가 1이하가 되는 항복점비가 존재하며, 이는 비탄성 내풍설계시 비탄성 거동을 허용하더라도 탄성설계된 건물보다 최대 변형이 감소함을 나타낸다.
Two identical tall building models with square cross-sections are experimentally studied in a wind tunnel with high-frequency-force-balance (HFFB) technique to investigate the interference effects on wind loads and dynamic responses of the interfered building. Another wind tunnel test, in which the interfered model is an aeroelastic one, is also carried out to further study the interference effects. The results from the two kinds of tests are compared with each other. Then the influences of turbulence in oncoming wind on dynamic interference factors are analyzed. At last the artificial neural networks method is used to deal with the experimental data and the along-wind and across-wind dynamic interference factor $IF_{dx}$ & $IF_{dy}$ contour maps are obtained, which could be used as references for wind load codes of buildings.
The bridge across Chambal River consists of two approach bridges and a cable stayed bridge with concrete girder and pylon. And the main bridge has been designed mainly based on AASHTO LRFD. This article covers design specifications from AASHTO LRFD, which are applied to load combinations and structural verification. And it also covers local standards applied in definition of loads such as live load, wind load, temperature, etc. In addition, the difference between applied design specifications and Korean standards is mentioned in this article briefly.
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.
Badri, Abdulmonem A.;Hussein, Manar M.;Attia, Walid A.
Wind and Structures
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제20권5호
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pp.623-642
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2015
Several international codes have been developed for evaluating wind loads on structures; however, the wind structure interaction could not be accurately captured by these codes due to the gusty nature of wind and the dynamic behavior of structures. Therefore, the alternative wind tunnel testing was introduced. In this study, an introduction to the available approaches for wind load calculations for tall buildings was presented. Then, a comparative study between different codes: the Egyptian code, ECP 201-08, ASCE 7-05, BS 6399-2, and wind tunnel test results was conducted. An investigation has been carried out on two case studies tall buildings located within the Arabian Gulf region. Numerical models using (ETABS) software were produced to obtain the relation between codes analytical values and wind tunnel experimental test results for wind loads in the along and across wind directions. Results for the main structural responses including stories forces, shears, overturning moments, lateral displacements, and drifts were presented graphically in order to give clear comparison between the studied methods. The conclusions and recommendations for future works obtained from this research are finally presented to help improving Egyptian code provisions and show limitations for different cases.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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