A full-scale instrumented low-rise building with gable roof was built at a coastal site with a high incidence of tropical cyclones for monitoring of wind effects on the building during windstorms. This paper presents the field measurements of the wind velocity field around and the wind-induced pressures on the low-rise building during the passage of severe tropical storm Soudelor. Near-ground wind characteristics such as wind speed, wind direction, turbulence intensity, gust factor, turbulence integral length scale and wind velocity spectra were investigated. The wind-induced pressures on the roof of the building were analyzed and discussed. The results revealed that the eave and ridge edges on the roof were subjected to the most severe suction pressures under quartering winds. These suction pressures showed obvious non-Gaussian behavior. The measured results were compared with the provisions of ASCE 7-10 to assess the suitability of the code of practice for the wind-resistant design of low-rise buildings under tropical cyclones. The field study aims to provide useful information that can enhance our understanding of the extreme wind effects on low-rise buildings in an effort to reduce tropical cyclone wind damages to residential buildings.
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.
Low-rise structures are generally immersed within the roughness layer of the atmospheric boundary layer flows and represent the largest class of the structures for which wind loads for design are being obtained from the wind standards codes of distinct nations. For low-rise buildings, wind loads are one of the decisive loads when designing a roof. For the case of cylindrical roof structures, the information related to wind pressure coefficient is limited to a single span only. In contrast, for multi-span roofs, the information is not available. In this research, the numerical simulation has been done using ANSYS CFX to determine wind pressure distribution on the roof of low-rise cylindrical structures arranged in rectangular plan with variable spacing in accordance with building width (B=0.2 m) i.e., zero, 0.5B, B, 1.5B and 2B subjected to different wind incidence angles varying from 0° to 90° having the interval of 15°. The wind pressure (P) and pressure coefficients (Cpe) are varying with respect to wind incidence angle and variable spacing. The results of present numerical investigation or wind induced pressure are presented in the form of pressure contours generated by Ansys CFD Post for isolated as well as variable spacing model of cylindrical roofs. It was noted that the effect of wind shielding was reducing on the roofs by increasing spacing between the buildings. The variation pf Coefficient of wind pressure (Cpe) for all the roofs have been presented individually in the form of graphs with respect to angle of attacks of wind (AoA) and variable spacing. The critical outcomes of the present study will be so much beneficial to structural design engineers during the analysis and designing of low-rise buildings with cylindrical roofs in an isolated as well as group formation.
Seven hip roof building models for $10^{\circ}$, $15^{\circ}$, $20^{\circ}$, $25^{\circ}$, $30^{\circ}$, $35^{\circ}$ and $40^{\circ}$ roof pitch with large overhangs of 1.1 m were tested in a wind tunnel at the university of Roorkee, India to investigate wind pressure distributions over hip roofs for various roof pitch and wind direction. The results show that the roof pitch and wind direction do significantly affect the magnitude and distribution of the roof pressures. The $40^{\circ}$ roof pitch has been found to experience the highest peak suctions at the roof corners amongst the seven hip roofs tested. Pressures on $15^{\circ}$, $20^{\circ}$ and $30^{\circ}$ hip roofs are comparable with those reported by Xu and Reardon (1998). Meecham et al. (1991) for $18.4^{\circ}$ hip roof is compatible with $15^{\circ}$ hip roof of the present study. Holmes's works (1994) on gable roof have also been compared with the present work. Zoning for codification has also been attempted since IS875 (Part-3) does not include this information. A comparison for design value has also been made with BRE Report No. 346.
The Characteristics of the conical vortices on the roof surface of a low-rise building has been investigated by using a PIV(Particle Image Velocimerty) technique. The scaled model of TTU building with 1:92 scaling ratio was used. The Reynolds number based on the free stream velocity and the length of the model was $1.96{\times}10^5$. When the angle of attack for the building model is $45^{\circ}$, the conical vortices are occurred symmetrically and the center of vortices are changed with respect to the angle of the approaching flow. The rotating direction of the conical vortices found to be counter-rotating. The secondary vortex motions are investigated using the instantaneous flow field data.
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.
The greatest suction on the cladding of flat roof low-rise buildings is known to occur beneath the conical vortices that form along the roof edges for cornering winds. In a companion paper, a model of the vortex flow mechanism has been developed which can be used to connect the surface pressure beneath the vortex to adjacent flow conditions. The flow model is experimentally validated in this paper using simultaneous velocity and surface pressure measurement on a 1 : 50 model of the Texas Tech University experimental building in a wind tunnel simulated atmospheric boundary layer. Flow visualization gives further insight into the nature of peak suction events. The flow model is shown to account for the increase in suction towards the roof corner as well as the presence of the highest suction at wind angles of $60^{\circ}$. It includes a parameter describing vortex suction strength, which is shown to be related to the nature of the reattachment, and also suggests how different components of upstream turbulence could influence the surface pressure.
This paper presents an extensive analysis of the short term, unsteady wind loading on a low-rise building. The building is located in a rural environment and only the specific situation of wind flow orthogonal to the long face of the structure is considered. The data is analysed using conventional analysis and less traditional methods such as conditional sampling and wavelet analysis. The nature of the flow field over the building is found to be highly unsteady and complex. Fluctuating pressures on the windward wall are shown to a large extent to be caused by the fluctuations in the upstream flow, whereas extreme pressures on the roof are as a result of high intensity small scale flow structures. On the roof of the building a significant amount of energy is shown to exist at frequencies above 1 Hz.
Rao, K. Balaji;Anoop, M.B.;Harikrishna, P.;Rajan, S. Selvi;Iyer, Nagesh R.
Wind and Structures
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v.19
no.6
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pp.623-647
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2014
In this paper, a probability distribution which is consistent with the observed phenomenon at the roof corner and, also on other portions of the roof, of a low-rise building is proposed. The model is consistent with the choice of probability density function suggested by the statistical thermodynamics of open systems and turbulence modelling in fluid mechanics. After presenting the justification based on physical phenomenon and based on statistical arguments, the fit of alpha-stable distribution for prediction of extreme negative wind pressure coefficients is explored. The predictions are compared with those actually observed during wind tunnel experiments (using wind tunnel experimental data obtained from the aerodynamic database of Tokyo Polytechnic University), and those predicted by using Gumbel minimum and Hermite polynomial model. The predictions are also compared with those estimated using a recently proposed non-parametric model in regions where stability criterion (in skewness-kurtosis space) is satisfied. From the comparisons, it is noted that the proposed model can be used to estimate the extreme peak negative wind pressure coefficients. The model has an advantage that it is consistent with the physical processes proposed in the literature for explaining large fluctuations at the roof corners.
Wind flow and pressure on the roof of the Texas Tech Experimental Building are studied along with the incident wind in an effort to understand the wind-structure interaction and the mechanisms of roof pressure generation. Two distinct flow phenomena, cornering vortices and separation bubble, are investigated. It is found for the cornering vortices that the incident wind angle that favors formation of strong vortices is bounded in a range of approximately 50 degrees symmetrical about the roof-corner bisector. Peak pressures on the roof corner are produced by wind gusts approaching at wind angles conducive to strong vortex formation. A simple analytical model is established to predict fluctuating pressure coefficients on the leading roof corner from the knowledge of the mean pressure coefficients and the incident wind. For the separation bubble situation, the mean structure of the separation bubble is established. The role of incident wind turbulence in pressure-generation mechanisms for the two flow phenomena is better understood.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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