Wind-induced response behavior of long-span roof structures is very complicated, showing significant contributions of multiple vibration modes. The largest load effects in a huge number of members should be considered for the sake of the equivalent static wind loads (ESWLs). Studies on essential matters and necessary conditions of the universal ESWLs are discussed. An efficient method for universal ESWLs on long-span roof structures is proposed. The generalized resuming forces including both the external wind loads and inertial forces are defined. Then, the universal ESWLs are given by a combination of eigenmodes calculated by proper orthogonal decomposition (POD) analysis. Firstly, the least squares method is applied to a matrix of eigenmodes by using the influence function. Then, the universal ESWLs distribution is obtained which reproduces the largest load effects simultaneously. Secondly, by choosing the eigenmodes of generalized resuming forces as the basic loading distribution vectors, this method becomes efficient. Meanwhile, by using the constraint equations, the universal ESWLs becomes reasonable. Finally, reproduced largest load effects by load-response-correlation (LRC) ESWLs and universal ESWLs are compared with the actual largest load effects obtained by the time domain response analysis for a long-span roof structure. The results demonstrate the feasibility and usefulness of the proposed universal ESWLs method.
Wind tunnel experiments are used to investigate the aerodynamic interactions between vehicles and wind barriers on a railway bridge. Wind barriers with four different heights (1.72 m, 2.05 m, 2.5 m and 2.95 m, full-scale) and three different porosities (0%, 30% and 40%) are studied to yield the aerodynamic coefficients of the vehicle and the wind barriers. The effects of the wind barriers on the aerodynamic coefficients of the vehicle are analyzed as well as the effects of the vehicle on the aerodynamic coefficients of the wind barriers. Finally, the relationship between the drag forces on the wind barriers and the aerodynamic coefficients of the vehicle are discussed. The results show that the wind barriers can significantly reduce the drag coefficients of the vehicle, but that porous wind barriers increase the lift forces on the vehicle. The windward vehicle will significantly reduce the drag coefficients of the porous wind barriers, but the windward and leeward vehicle will increase the drag coefficients of the solid wind barrier. The overturning moment coefficient is a linear function of the drag forces on the wind barriers if the full-scale height of the wind barriers $h{\leq}2.5m$ and the overturning moment coefficients $C_O{\geq}0$.
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.
Simultaneous pressure and force measurements have been conducted on a stationary box deck section model for two configurations (namely without and with New Jersey traffic barriers) at various angles of incidence. The mean and fluctuating aerodynamic coefficients and pressure coefficients were derived, together with their spectra and with the coherence functions between the pressures and the total aerodynamic forces. The mean aerodynamic coefficients derived from force measurements are first compared with those derived from the integration of the pressures on the deck surface. Correlation between forces and local pressures are determined in order to gain insight on the wind excitation mechanism. The influence of the angle of incidence on the pressure distribution and on the fluctuating forces is also analysed. It is evidenced how particular deck section areas are more responsible for the aerodynamic excitation of the deck.
Journal of the Society of Naval Architects of Korea
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v.41
no.1
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pp.8-14
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2004
As the number of offshore structure is glowing in deep waters, there have been increased damages of it. These floating structures in offshore locations exposed to harsh environmental conditions. In recent years, there has been a slowing attention around damages on bow and deck on FPSO caused by waves in steep storm condition. This paper describes a study of the water on deck due to the dynamic behavior of a FPSO with turret mooring system. The nonlinear motions of the FPSO are simulated under external forces due to wave, current, wind, and mooring forces in the time domain. The direct integration method is employed to estimate low frequency drift wave forces. The current forces are calculated by using slow motion maneuvering equations in the horizontal plane. The coefficients of a model for wind forces are calculated from Isherwood's experimental data and the variation of wind speed is estimated by wind spectrum according to the guidelines of API-RP2A.
The vortex-induced vibration of an ${\sqcap}$-shaped bridge deck sectional model is studied in this paper via the wind tunnel experiment. The vibratory behavior of the model shows that there is a transition of the predominant vibration mode from the vertical to the rotational degree of freedom as the wind speed increases gradually or vice versa as the wind speed decreases gradually. The vertical vibration is, however, much weaker in the latter case than in the former. This is a phenomenon which is difficult to model by existing parametric models for vortex-induced vibrations. In order to characterize the aeroelastic property of the ${\sqcap}$-shaped sectional model, a time domain force identification scheme is proposed to identify the time history of the aeroelastic forces. After the application of the proposed method, the resultant fluid forces are re-sampled in dimensionless time domain so that reduced frequency response function (RFRF) can be obtained to explore the properties of the vortex-induced wind forces in reduced frequency domain. The RFRF model is proven effective to characterize the correlation between the wind forces and bridge deck motions, thus can explain the aeroelastic behavior of the ${\sqcap}$-shaped sectional model.
The high frequency force balance (HFFB) technique provides convenient measurements of integrated forces on rigid building models in terms of base bending moments and torque and/or base shear forces. These base moments or forces are then used to approximately estimate the generalized forces of building fundamental modes with mode shape corrections. This paper presents an analysis framework for coupled dynamic response of tall buildings with HFFB technique. The empirical mode shape corrections for generalized forces with coupled mode shapes are validated using measurements of synchronous pressures on a square building surface from a wind tunnel. An alternative approach for estimating the mean and background response components directly using HFFB measurements without mode shape corrections is introduced with a discussion on higher mode contributions. The uncertainty in the mode shape corrections and its influence on predicted responses of buildings with both uncoupled and coupled modal shapes are examined. Furthermore, this paper presents a comparison of aerodynamic base moment spectra with available data sets for various tall building configurations. Finally, e-technology aspects in conjunction with HFFB technique such as web-based on-line analysis framework for buildings with uncoupled mode shapes used in NALD (NatHaz Aerodynamic Loads Database) is discussed, which facilitates the use of HFFB data for preliminary design stages of tall buildings subject to wind loads.
In offshore, various external forces such as wind force, tidal current and impulsive breaking wave force act on offshore wind tower. Among these forces, impulsive breaking wave force is especially more powerful than other forces. Therefore, various studies on impulsive breaking wave forces have been carried out, but the soil reaction are incomplete. In this study, the p-y curve is used to calculate the soil reaction acting on the offshore wind tower when an impulsive breaking wave force occurs by typhoon. The calculation of offshore wind tower against impulsive breaking wave force is applied for the multi-layered soil. The results obtained in this study show that although the same wave height is applied, the soil reaction generated by impulsive breaking wave force is greater than the soil reaction generated by wave force.
Pounding of structures may result in considerable damages, to the extent of total failure during severe lateral loading events (e.g., earthquakes and wind). With the new generation of tall buildings in densely occupied locations, wind-induced pounding becomes of higher risk due to such structures' large deflections. This paper aims to develop mathematical formulations to determine the maximum pounding force when two adjacent structures come into contact. The study will first investigate wind-induced pounding forces of two equal-height structures with similar dynamic properties. The wind loads will be extracted from the Large Eddy Simulation models and applied to a Finite Element Method model to determine deflections and pounding forces. A Genetic Algorithm is lastly utilized to optimize fitting parameters used to correlate the maximum pounding force to the governing structural parameters. The results of the wind-induced pounding show that structures with a higher natural frequency will produce lower maximum pounding forces than those of the same structure with a lower natural frequency. In addition, taller structures are more susceptible to stronger pounding forces at closer separation distances. It was also found that the complexity of the mathematical formula from optimization depends on achieving a more accurate mapping for the trained database.
This paper presents the experimental results of the wind tunnel tests for three symmetric, rectangular, tall building models on a typical open terrain considering the torsional motion-induced vibrations. The time histories of the wind pressure on these models under different reduced wind speeds and torsional amplitudes are obtained through the multiple point synchronous scanning pressure technique. Thereafter, the characteristics of both the Root Mean Square (RMS) coefficients and the spectra of the base shear/torque in the along-wind, across-wind, and torsional directions, respectively, are discussed. The results show that the RMS coefficients of the base shear/torque vary in the three directions with both the reduced wind speeds and the torsional vibration amplitudes. The variation of the RMS coefficients in the along-wind direction results mainly from the change of the aerodynamic forces, but sometimes from aeroelastic effects induced by torsional vibration. However, the variations of the RMS coefficients in the across-wind and torsional directions are caused by more equal weights of both the aerodynamic forces and the aeroelastic effects. As such, for the typical tall buildings, the modification of the aerodynamic forces in the along-wind, across-wind, and torsional directions, respectively, and the aeroelastic effects in the across-wind and torsional directions should be considered. It is identified that the torsional vibration amplitudes and the reduced wind speeds are two significant parameters for the aerodynamic forces on the structures in the three directions.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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