Modern design of long suspension bridges must satisfy at the same time spanning very long distances and limiting their response against several external loads, even if of high intensity. Structural Control, with the solutions it provides, can offer a reliable contribution to limit internal forces and deformations in structural elements when extreme events occur. This positive aspect is very interesting when the dimensions of the structure are large. Herein, an updated numerical model of an existing suspension bridge is developed in a commercial finite element work frame, starting from original data. This model is used to reevaluate an optimization procedure for a passive control strategy, already proven effective with a simplified model of the buffeting wind forces. Such optimization procedure, previously implemented with a quasi-steady model of the buffeting excitation, is here reevaluated adopting a more refined version of the wind-structure interaction forces in which wind actions are applied on the towers and the cables considering drag forces only. For the deck a more refined formulation, based on the use of indicial functions, is adopted to reflect coupling with the bridge orientation and motion. It is shown that there is no variation of the previously identified optimal passive configuration.
Downbursts are transient phenomena that produce wind profiles that are distinctly different from synoptic boundary layers. Wind field data from Computational Fluid Dynamics (CFD) simulations of isolated downburst-like impinging jets, are used to investigate structural loads of tall buildings due to these high intensity winds. The base shear forces and base moments of tall buildings of heights between 120 and 250 m produced by downburst winds of various scales are compared with the forces from the equivalent boundary layer gust winds, with matched 10-metre wind velocity. The wind profiles are mainly functions of the size of the downburst and the radial distance from the centre of the storm. Wind forces due to various downburst profiles are investigated by placing the building at different locations relative to the storm center as well as varying the size of the downburst. Overall it is found that downbursts larger than approx. 2,000 m in diameter might produce governing design wind loads above those from corresponding boundary layer winds for tall buildings.
The tapered and set-back type of unconventional designs have been used earlier in many buildings. These shapes are aerodynamically efficient and offer a significant amount of damping against wind-induced forces and excitations. Various studies have been conducted on these shapes earlier. The present study adopts a hybrid approach of turbulence modelling i.e., Detached-eddy Simulation (DES) to investigate the effect of height modified tapered and set-back buildings on aerodynamic forces and their sensitivity towards pressure. The modifications in the flow field around the building models are also investigated and discussed. Three tapering ratios (T.R.=(Bottom width- Top width)/Height) i.e., 5%, 10%, 15% are considered for tapered and set-back buildings. The results show that, mean and RMS along-wind and across-wind forces are reduced significantly for the aerodynamically modified buildings. The extent of reduction in the forces increases as the taper ratio is increased, however, the set-back modifications are more worthwhile than tapered showing greater reduction in the forces. The pressure distribution on the surfaces of the buildings are analyzed and in the last section, the influence of the flow field on the forces is discussed.
The high frequency base balance (HFBB) technique is a convenient and relatively fast wind tunnel testing technique for predicting wind-induced forces for tall building design. While modern tall building design has seen a number architecturally remarkable buildings constructed recently, the characteristics of those buildings are significantly different to those that were common when the HFBB technique was originally developed. In particular, the prediction of generalized forces for buildings with 3-dimensional mode shapes has a number of inherent uncertainties and challenges that need to be overcome to accurately predict building loads and responses. As an alternative to the more conventional application of general mode shape correction factors, an analysis methodology, referred to as the linear-mode-shape (LMS) method, has been recently developed to allow better estimates of the generalized forces by establishing a new set of centers at which the translational mode shapes are linear. The LMS method was initially evaluated and compared with the methods using mode shape correction factors for a rectangular building, which was wind tunnel tested in isolation in an open terrain for five incident wind angles at $22.5^{\circ}$ increments from $0^{\circ}$ to $90^{\circ}$. The results demonstrated that the LMS method provides more accurate predictions of the wind-induced loads and building responses than the application of mode shape correction factors. The LMS method was subsequently applied to a tall building project in Hong Kong. The building considered in the current study is located in a heavily developed business district and surrounded by tall buildings and mixed terrain. The HFBB results validated the versatility of the LMS method for the structural design of an actual tall building subjected to the varied wind characteristics caused by the surroundings. In comparison, the application of mode shape correction factors in the HFBB analysis did not directly take into account the influence of the site specific characteristics on the actual wind loads, hence their estimates of the building responses have a higher variability.
Proceedings of the Korea Committee for Ocean Resources and Engineering Conference
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2000.10a
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pp.79-83
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2000
A sliding mode fuzzy control (SMFC) with disturbance estimator is applied to design a controller for the third generation benchmark problem on an wind-excited building. A distinctive feature in vibration control of large civil infrastructure is the existence of large disturbances, such as wind, earthquake, and sea wave forces. Those disturbances govern the behavior of the structure, however, they cannot be precisely measured, especially for the case of wind-induced vibration control. Since the structural accelerations are measured only at a limited number of locations without the measurement of the wind forces, the structure of the conventional control may have the feed-back loop only. General structure of the SMFC is composed of a compensation part and a convergent part. The compensation part prevents the system diverge, and the convergent part makes the system converge to the sliding surface. The compensation part uses not only the structural response measurement but also the disturbance measurement, so the SMFC has a feed-back loop and a feed-forward loop. To realize the virtual feed-forward loop for the wind-induced vibration control, disturbance estimation filter is introduced. the structure of the filter is constructed based on an auto regressive model for the stochastic wind force. This filter estimates the wind force at each time instance based on the measured structural responses and the stochastic information of the wind force. For the verification of the proposed algorithm, a numerical simulation is carried out on the benchmark problem of a wind-excited building. The results indicate that the present control algorithm is very efficient for reducing the wind-induced vibration and that the performance indices improve as the filter for wind force estimation is employed.
The shape of a tall building has significant impact on wind force generation and wind-induced dynamic response. To study the effect of recessed cavities, wind excitations on a wind-tunnel model of an H-section tall building were compared with those on a square-section building model. Characteristics of the fluctuating wind pressures on the side faces of the two tall buildings and their role in the generation of crosswind forces on the buildings were investigated with the space-time statistical tool of proper orthogonal decomposition (POD). This paper also compares the use of different pressure data sets for POD analysis in situations where pressures on two different surfaces are responsible for the generation of a wind force. The first POD mode is found to dominate the generation of crosswind excitation on the buildings.
This study presents a comprehensive investigation of wind load characteristics and wind-induced responses associated with different wind incidence angles and terrains of the 1000kV UHV substation frame. High-frequency force balance (HFFB) force measurement wind tunnel tests are conducted on the overall and segment models to characterize wind loads characteristics such as the aerodynamic force coefficients and the shape factors. The most unfavorable wind incidence angles and terrains for aerodynamic characteristics are obtained. A finite element model of the substation frame is built to determine the wind-induced response characters based on the aerodynamic force coefficients and bottom forces of the segment models. The mean and root mean square (RMS) values of displacement responses at different heights of the frame structure are compared and analyzed. The influence of wind incidence angle and terrains on wind-induced responses is also examined. The displacement responses in terms of the crest factor method are subsequently transformed into dynamic response factors. The recommended values of dynamic response factors at four typical heights have been proposed to provide a reference for the wind resistance design of such structures.
To investigate the motion-induced aeroelastic effects (or aerodynamic feedback effects) on a square cylinder in uniform flow, a series of wind tunnel tests involving the pressure measurement of a rigid model (RM) and simultaneous measurement of the pressure and vibration of an aeroelastic model (AM) have been systematically carried out. More specifically, the aerodynamic feedback effects on the structural responses, on the mean and root-mean-square wind pressures, on the power spectra and coherence functions of wind pressures at selected locations, and on the aerodynamic forces were investigated. The results indicated the vibration in the lock-in range made the shedding vortex more coherent and better organized, and hence presented unfavorable wind-induced effects on the structure. Whereas the vibration in the non-lock-in range generally showed insignificant effects on the flow structures surrounding the square cylinder.
Zaheer, Mohd Moonis;Hasan, Syed Danish;Islam, Nazrul;Aslam, Moazzam
Ocean Systems Engineering
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v.11
no.1
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pp.17-42
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2021
Articulated loading platforms (ALPs) belongs to a class of offshore structures known as compliant. ALP motions have time periods falling in the wind excitation frequency range due to their compliant behaviour. This paper deals with the dynamic behavior of a double hinged ALP subjected to low-frequency wind forces with random waves. Nonlinear effects due to variable submergence, fluctuating buoyancy, variable added mass, and hydrodynamic forces are considered in the analysis. The random sea state is characterized by the Pierson-Moskowitz (P-M) spectrum. The wave forces on the submerged elements of the platform's shaft are calculated using Morison's Equation with Airy's linear wave theory ignoring diffraction effects. The fluctuating wind load has been estimated using Ochi and Shin wind velocity spectrum for offshore structures. The nonlinear dynamic equation of motion is solved in the time domain by the Wilson-θ method. The wind-structure interactions, along with the effect of various other parameters on the platform response, are investigated. The effect of offset of aerodynamic center (A.C.) with the center of gravity (C.G.) of platform superstructure has also been investigated. The outcome of the analyses indicates that low-frequency wind forces affect the response of ALP to a large extent, which otherwise is not enhanced in the presence of only waves. The mean wind modifies the mean position of the platform surge response to the positive side, causing an offset. Various power spectral densities (PSDs) under high and moderate sea states show that apart from the significant peak occurring at the two natural frequencies, other prominent peaks also appear at very low frequencies showing the influence of wind on the response.
Quasi-steady approaches have been often adopted to model wind forces on moving cylinders in cross-flow and to study instability conditions of rigid cylinders supported by visco-elastic devices. Recently, much attention has been devoted to the experimental study of inclined and/or yawed circular cylinders detecting dynamical phenomena such as galloping-like instability, but, at the present state-of-the-art, no mathematical model is able to recognize or predict satisfactorily this behaviour. The present paper presents a generalization of the quasi-steady approach for the definition of the flow-induced forces on yawed and inclined circular cylinders. The proposed model is able to replicate experimental behaviour and to predict the galloping instability observed during a series of recent wind-tunnel tests.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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