In this study, a turbulence simulation is carried out in a suction type wind tunnel using grids, where turbulent flows with various turbulence intensity are successfully produced by the change of grid size, arrangement of grids and settling position, respectively. Response tests of rectangular cylinder models with aspect ratio of 2 and 4 are carried out in smooth flow and generated turbulent flows. Additionally, two types of fairing are considered such as right triangle and regular triangle. The effects of wind velocity fluctuations and fairing are discussed on vortex-induced oscillation.
Aiming at the wind-resistant design of a sea-crossing arch bridge, the static aerodynamic coefficients of its girder (composed of stretches of π-shaped cross-section and box cross-section) were studied by using computational fluid dynamics (CFD) numerical simulation and wind tunnel test. Based on the comparison between numerical simulation, wind tunnel test and specification recommendation, a combined calculation method for the horizontal force coefficient of intermediate and small span bridges is proposed. The results show that the two-dimensional CFD numerical simulations of the individual cross sections are sufficient to meet the accuracy requirements of engineering practice.
To gain insight into the wind-induced safety concerns associated with attached tower cranes during the construction of super-tall buildings, a 606 m level frame-core tube super-tall building is selected to investigate the wind-induced vibration response and fragility of an outer-attached tower crane at all stages of construction. The wind velocity time history samples are artificially generated and used to perform dynamic response analyses of the crane to observe the effects of wind velocity and wind direction under its working and non-working resting state. The adverse effects of the relative displacement response at different connection supports are also identified. The wind-resistant fragility curves of the crane are obtained by introducing the concept of incremental dynamic analysis. The results from the investigation indicate that a large relative displacement between the supports can substantially amplify the response of the crane at high levels. Such an effect becomes more serious when the lifting arm is perpendicular to the plane of the connection supports. The flexibility of super-tall buildings should be considered in the design of outer-attached tower cranes, especially for anchorage systems. Fragility analysis can be used to specify the maximum appropriate height of the tower crane for each performance level.
As the height and flexibility of high-rise buildings increase, the wind loads become more dominant and the combination coefficient of Equivalent Static Wind Loads (ESWLs) should be considered when they are used in the structural design. In the first phase of the study, a brief introduction to the theory on the combination coefficient for high-rise buildings was given and then the time history of wind-induced responses of a 208-meter high-rise building with an elliptical cross-section was presented based on the wind tunnel test results for pressure measurement. The correlation between wind-induced responses was analyzed and the combination coefficients of ESWLs of the high-rise buildings using Turkstra's rule, and Asami's method, were calculated and compared with related design codes, e.g., AIJ-RLB, ASCE 7-10, and China Load Code for structural design. The results of the study showed that the combination coefficients from Asami's method are conservative compared with the other three methods. The results of this paper would be helpful to the wind-resistant design of high-rise buildings with elliptical cross-section.
The simulation of non-stationary wind velocity is particularly crucial for the wind resistant design of slender structures. Recently, some data-driven simulation methods have received much attention due to their straightforwardness. However, as the number of simulation points increases, it will face efficiency issues. Under such a background, in this paper, a time-varying coherence matrix decomposition method based on Diagonal Proper Orthogonal Decomposition (DPOD) interpolation is proposed for the data-driven simulation of non-stationary wind velocity based on S-transform (ST). Its core idea is to use coherence matrix decomposition instead of the decomposition of the measured time-frequency power spectrum matrix based on ST. The decomposition result of the time-varying coherence matrix is relatively smooth, so DPOD interpolation can be introduced to accelerate its decomposition, and the DPOD interpolation technology is extended to the simulation based on measured wind velocity. The numerical experiment has shown that the reconstruction results of coherence matrix interpolation are consistent with the target values, and the interpolation calculation efficiency is higher than that of the coherence matrix time-frequency interpolation method and the coherence matrix POD interpolation method. Compared to existing data-driven simulation methods, it addresses the efficiency issue in simulations where the number of Cholesky decompositions increases with the increase of simulation points, significantly enhancing the efficiency of simulating multivariate non-stationary wind velocities. Meanwhile, the simulation data preserved the time-frequency characteristics of the measured wind velocity well.
This study aimed to analyze the wind-induced mechanical energy (WME) of a proposed super high-rise and long-span transmission tower-line system (SHLTTS), which, in 2021, is the tallest tower-line system with the longest span. Anew index - the WME, accounting for the wind-induced vibration behavior of the whole system rather than the local part, was first proposed. The occurrence of the maximum WME for a transmission tower, with or without conductors, under synoptic winds, was analyzed, and the corresponding formulae were derived based on stochastic vibration theory. Some calculation data, such as the drag coefficient, dynamic parameters, windshielding areas, mass, calculation point coordinates, mode shape and influence function, derived from wind tunnel testing on reducedscale models and finite element software were used in calculating the maximum WME of the transmission tower under three cases. Then, the influence of conductors, wind speed, gradient wind height and wind yaw angle on WME components and the energy transfer relationship between substructures (transmission tower and conductor) were analyzed. The study showed that the presence of conductors increases the WME of transmission towers and changes the proportion of the mean component (MC), background component (BC) and resonant component (RC) for WME; The RC of WME is more susceptible to the wind speed change. Affected by the gradient wind height, the WME components decrease. With the RC decreasing the fastest and the MC decreasing the slowest; The WME reaches the its maximum value at the wind yaw angle of 30°. Due to the influence of three factors, namely: the long span of the conductors, the gradient wind height and the complex geometrical profile, it is important that the tower-line coupling effect, the potential for fatigue damage and the most unfavorable wind yaw angle should be given particular attention in the wind-resistant design of SHLTTSs
Ding, Youliang;Zhou, Guangdong;Li, Aiqun;Deng, Yang
Wind and Structures
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제17권1호
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pp.43-68
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2013
The fluctuating wind induced vibration is one of the most important factors which has been taken into account in the design of long-span bridge due to the low stiffness and low natural frequency. Field measurement characteristics of sustained wind on structure site can provide accurate wind load parameters for wind field simulation and structural wind resistance design. As a suspension bridge with 1490 m main span, the Runyang Suspension Bridge (RSB) has high sensitivity to fluctuating wind. The simultaneous and continuously wind environment field measurement both in mid-span and on tower top is executed from 2005 up to now by the structural health monitoring system installed on this bridge. Based on the recorded data, the wind characteristic parameters, including mean wind speed, wind direction, the turbulence intensity, the gust factors, the turbulence integral length, power spectrum and spatial correlation, are analyzed in detail and the coherence functions of those parameters are evaluated using statistical method in this paper. The results indicate that, the turbulence component of sustain wind is larger than extremely strong winds although its mean wind speed is smaller; the correlation between turbulence parameters is obvious; the power spectrum is special and not accord with the Simiu spectrum and von Karman spectrum. Results obtained in this study can be used to evaluate the long term reliability of the Runyang Suspension Bridge and provide reference values for wind resistant design of other structures in this region.
Wind-resistant design of existing cooling tower structures overlooks the impacts of rainfall. However, rainstorm will influence aerodynamic force on the tower surface directly. Under this circumstance, the structural response of the super-large cooling tower (SLCT) will become more complicated, and then the stability and safety of SLCT will receive significant impact. In this paper, surrounding wind fields of the world highest (210 m) cooling tower in Northwest China underthree typical wind velocities were simulated based on the wind-rain two-way coupling algorithm. Next, wind-rain coupling synchronous iteration calculations were conducted under 9 different wind speed-rainfall intensity combinations by adding the discrete phase model (DPM). On this basis, the influencing laws of different wind speed-rainfall intensity combinations on wind-driving rain, adhesive force of rain drops and rain pressure coefficients were discussed. The acting mechanisms of speed line, turbulence energy strength as well as running speed and trajectory of rain drops on structural surface in the wind-rain coupling field were disclosed. Moreover, the fitting formula of wind-rain coupling equivalent pressure coefficient of the cooling tower was proposed. A systematic contrast analysis on its 3D distribution pattern was carried out. Finally, coupling model of SLCT under different working conditions was constructed by combining the finite element method. Structural response, buckling stability and local stability of SLCT under different wind velocities and wind speed-rainfall intensity combinations were compared and analyzed. Major research conclusions can provide references to determine loads of similar SLCT accurately under extremely complicated working conditions.
In wind-resistant designs, wind velocity is assumed to be a Gaussian process; however, local complex topography may result in strong non-Gaussian wind features. This study investigates the non-Gaussian wind features over complex terrain under atmospheric turbulent boundary layers by the large eddy simulation (LES) model, and the turbulent inlet of LES is generated by the consistent discretizing random flow generation (CDRFG) method. The performance of LES is validated by two different complex terrains in Changsha and Mianyang, China, and the results are compared with wind tunnel tests and onsite measurements, respectively. Furthermore, the non-Gaussian parameters, such as skewness, kurtosis, probability curves, and gust factors, are analyzed in-depth. The results show that the LES method is in good agreement with both mean and turbulent wind fields from wind tunnel tests and onsite measurements. Wind fields in complex terrain mostly exhibit a left-skewed Gaussian process, and it changes from a softening Gaussian process to a hardening Gaussian process as the height increases. A reduction in the gust factors of about 2.0%-15.0% can be found by taking into account the non-Gaussian features, except for a 4.4% increase near the ground in steep terrain. This study can provide a reference for the assessment of extreme wind loads on structures in complex terrain.
This paper provides a simple numerical method to determine the optimal parameters of tuned mass damper (TMD) and viscoelastic dampers (VEDs) in frame structure for wind vibration control considering the soil-structure interation (SSI) effect in frequency domain. Firstly, the numerical model of frame structure equipped with TMD and VEDs considering SSI effect is established in frequency domain. Then, the genetic algorithm (GA) is applied to obtain the optimal parameters of VEDs and TMD. The optimization process is demonstrated by a 20-storey frame structure supported by pile group for different soil conditions. Two wind resistant systems are considered in the analysis, the Structure-TMD system and the Structure-TMD-VEDs system. The example proves that this method can quickly determine the optimal parameters of energy dissipation devices compared with the traditional finite element method, thus is practically valuable.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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