A large number of low-rise buildings experienced serious roof covering failures under strong wind while few suffered structural damage. Clay and concrete tiles are two main kinds of roof covering. For the tile roof system, few researches were carried out based on Finite Element (FE) analysis due to the difficulty in the simulation of the interface between the tiles and the roof sheathing (the bonding materials, foam or mortar). In this paper, the FE analysis of a single clay or concrete tile with foam-set or mortar-set were built with the interface simulated by the equivalent nonlinear springs based on the mechanical uplift and displacement tests, and they were expanded into the whole roof. A detailed wind tunnel test was carried out at Tongji University to acquire the wind loads on these two kinds of roof tiles, and then the test data were fed into the FE analysis. For the purpose of validation and calibration, the results of FE analysis were compared with the full-scale performance ofthe tile roofs under simulated strong wind impact through one-of-a-kind Wall of Wind (WoW) apparatus at Florida International University. The results are consistent with the WoW test that the roof of concrete tiles with mortar-set provided the highest resistance, and the material defects or improper construction practices are the key factors to induce the roof tiles' failure. Meanwhile, the staggered setting of concrete tiles would help develop an interlocking mechanism between the tiles and increase their resistance.
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 aerodynamic and aero-elastic model tests of the China''s highest cooling tower has been carried out in the TJ-3 Boundary Layer Wind Tunnel of Tongji University. By adopting a scanivalve system, the external wind pressure is firstly measured on $12{\times}36$ taps for a single tower, two and four grouped towers under the condition of both smooth flow and the boundary layer due to surrounding geographic and building topography. The measurements of internal wind pressure distribution of $6{\times}36$ taps are taken for a single tower under the various ventilation ratios ranging from 0% to 100% of stuffing layers located at the bottom of the tower. In the last stage, the wind tunnel tests with an aero-elastic model are carefully conducted to determine wind-induced displacements at six levels (each with eight points) with laser displacement sensors. According to the measurement results of wind pressure or vibration response, the extreme aerodynamic loading values of the single or grouped towers are accordingly analyzed based on probability correlation technique.
Wind field in mountainous regions demonstrates unique distribution characteristic as compared with the wind field of the flat area, wind load and wind effect are the key considerations in structural design of television towers situated in mountainous regions. The television tower to be constructed is located at the top of Xiushan Mountain in Nanjing, China. In order to investigate the impact of terrain factors of hilltops on wind loads, firstly a wind tunnel test was performed for the mountainous area within 800m from the television tower. Then the tower basal forces such as bending moments and shear strength were obtained based on high frequency force balance (HFFB) test. Based on the experiments, the improved method for determining the load combinations was applied to extract the response distribution patterns of foundation internal force and peak acceleration of the tower top, then the equivalent static wind loads were computed under different wind angles, load conditions and equivalent goals. The impact of terrain factors, damping ratio and equivalent goals on the wind load distribution of a television tower was discussed. Finally the equivalent static wind loads of the television tower under the 5 most adverse wind angles and 5 most adverse load conditions were computed. The experimental method, computations and research findings provide important references for the anti-wind design of high-rise structure built on hilltops.
An improvement to the spectral representation algorithm for the simulation of wind velocity fields on large scale structures is proposed in this paper. The method proposed by Deodatis (1996) serves as the basis of the improved algorithm. Firstly, an interpolation approximation is introduced to simplify the computation of the lower triangular matrix with the Cholesky decomposition of the cross-spectral density (CSD) matrix, since each element of the triangular matrix varies continuously with the wind spectra frequency. Fast Fourier Transform (FFT) technique is used to further enhance the efficiency of computation. Secondly, as an alternative spectral representation, the vectors of the triangular matrix in the Deodatis formula are replaced using an appropriate number of eigenvectors with the spectral decomposition of the CSD matrix. Lastly, a turbulent wind velocity field through a vertical plane on a long-span bridge (span-wise) is simulated to illustrate the proposed schemes. It is noted that the proposed schemes require less computer memory and are more efficiently simulated than that obtained using the existing traditional method. Furthermore, the reliability of the interpolation approximation in the simulation of wind velocity field is confirmed.
In this paper, detailed wind field data of the full path of typhoon "Bailu" were obtained based on site measurements. Typhoon "Bailu" made first landfall southeast of the Taiwan Strait with a wind speed of approximately 30 m/s near the center of the typhoon eye and a second landfall in Dongshang County in Fujian Province. The moving process is classified into 3 regions for analysis and comparison. Detailed analyses of wind characteristics including wind profile, turbulence intensity, gust factor, turbulence integral scale and wind power spectral density function at the full process of the typhoon are conducted, and the findings are presented in this paper. Wind speed shows significant dependence on both the direction of the moving path and the distance between the typhoon center and measurement site. Wind characteristics significantly vary with the moving path of the typhoon center. The relationship between turbulence intensity and gust factor at different regions is investigated. The integral turbulence scales and wind speed are fitted by a Gaussian model. Such analysis and conclusions may provide guidance for future bridge wind-resistant design in engineering applications.
In this study, a simplified three-dimensional calculation model is developed for the dynamic analysis of soil-pile group-supertall building systems excited by wind loads using the substructure method. Wind loads acting on a 300-m building in different wind directions and terrain conditions are obtained from synchronous pressure measurements conducted in a wind tunnel. The effects of soil-structure interaction (SSI) on the first natural frequency, wind-induced static displacement, root mean square (RMS) of displacement, and RMS of acceleration at the top of supertall buildings are analyzed. The findings demonstrate that with decreasing soil shear wave velocity, the first natural frequency decreases and the static displacement, RMS of displacement and RMS of acceleration increase. In addition, as soil material damping decreases, the RMS of displacement and the RMS of acceleration increase.
Aerodynamic damping often plays an important role in estimations of wind induced dynamic responses of super high-rise buildings. Across- and along-wind aerodynamic damping ratios of a square super high-rise building with a height of 300 m are identified with the Random Decrement technique (RDT) from random vibration responses of the SDOF aeroelastic model in simulated wind fields. Parametric studies on effects of reduced wind velocity, terrain type and structural damping ratio on the aerodynamic damping ratios are further performed. Finally formulas of across- and along-wind aerodynamic damping ratios of the square super high-rise building are derived with curve fitting technique and accuracy of the formulas is verified.
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.
Open-cross-section composite beam (OCB) tends to suffer vortex-induced vibration (VIV) due to its bluff aerodynamic shape. A cable-stayed bridge equipped with typical OCB is taken as an example in this paper to conduct sectional model wind tunnel test. Vortex-induced vibration is observed and maximum vibration amplitudes are obtained. CFD approach is employed to calculate the flow field around original cross sections in service stage and construction stage, as well as sections added with three different countermeasures: splitters, slabs and wind fairings. Results show that flow separate on the upstream edge and cause vortex shedding on original section. Splitters can only smooth the flow field on the upper surface, while slabs cannot smooth flow field on the upper or lower surface too much. Thus, splitters or slabs cannot serve as valid aerodynamic means. Wind tunnel test results show that VIV can only be mitigated when wind fairings are mounted, by which the flow field above and below the bridge deck are accelerated simultaneously.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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