While there are a number of guidelines used throughout the world in the assessment of acceptability of tall building accelerations, none are based on systematically conducted surveys of occupant reaction to wind-induced motion. In this study, occupant response data were gathered by both a self-reporting mechanism and by interviewer-conducted surveys in control tower structures over a period of four years. These two approaches were designed in conjunction with experimental psychologists to ensure unbiased reporting. The data allowed analysis of perception thresholds and tolerability at different building frequencies and in different wind climates. The long-term nature of the studies also allowed an investigation of the causes and effects of adaptation to building motion. As the surveys were designed to allow multiple use during single storms, the effects of exposure duration were investigated. A final exit survey was conducted at the primary survey location to investigate views of the acceptability of wind-induced motion and the factors underlying these views. The findings of the field studies indicate that none of the currently used acceleration guidelines address all of the factors that contribute to occupant dissatisfaction. An alternative framework for assessing acceleration acceptability is proposed.
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.
Lou, Wenjuan;Wang, Jiawei;Chen, Yong;Lv, Zhongbin;Lu, Ming
Wind and Structures
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v.23
no.3
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pp.211-229
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2016
In recent years, the frequency and duration of supply interruption in electric power transmission system due to flashover increase yearly in China. Flashover is usually associated with inadequate electric clearance and often takes place in extreme weathers, such as downbursts, typhoons and hurricanes. The present study focuses on the wind-induced oscillation of conductor during the process when a downburst is passing by or across a specified transmission line. Based on a revised analytical model recently developed for stationary downburst, transient three-dimensional wind fields of moving downbursts are successfully simulated. In the simulations, the downbursts travel along various motion paths according to the certain initial locations and directions of motion assumed in advance. Then, an eight-span section, extracted from a practical 500 kV ultra-high-voltage transmission line, is chosen. After performing a non-linear transient analysis, the transient displacements of the conductors could be obtained. Also, an extensive study on suspension insulator strings' rotation angles is conducted, and the electric clearances at different strings could be compared directly. The results show that both the variation trends of the transient responses and the corresponding peak values vary seriously with the motion paths of downburst. Accordingly, the location of the specified string, which is in the most disadvantageous situation along the studied line section, is picked out. And a representative motion path is concluded for reference in the calculation of each string's oscillation for the precaution of wind-induced flashover under downburst.
Burton, Melissa D.;Kwok, Kenny C.S.;Hitchcock, Peter A.
Wind and Structures
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v.14
no.6
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pp.517-536
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2011
The assessment of wind-induced motion plays an important role in the development and design of the majority of today's structures that push the limits of engineering knowledge. A vital part of the design is the prediction of wind-induced tall building motion and the assessment of its effects on occupant comfort. Little of the research that has led to the development of the various international standards for occupant comfort criteria have considered the effects of the low-frequency motion on task performance and interference with building occupants' daily activities. It has only recently become more widely recognized that it is no longer reasonable to assume that the level of motion that a tall building undergoes in a windstorm will fall below an occupants' level of perception and little is known about how this motion perception could also impact on task performance. Experimental research was conducted to evaluate the performance of individuals engaged in a manual tracking task while subjected to low level vibration in the frequency range of 0.125 Hz-0.50 Hz. The investigations were carried out under narrow-band random vibration with accelerations ranging from 2 milli-g to 30 milli-g (where 1 milli-g = 0.0098 $m/s^2$) and included a control condition. The frequencies and accelerations simulated are representative of the level of motion expected to occur in a tall building (heights in the range of 100 m -350 m) once every few months to once every few years. Performance of the test subjects with and without vibration was determined for 15 separate test conditions and evaluated in terms of time taken to complete a task and accuracy per trial. Overall, the performance under the vibration conditions did not vary significantly from that of the control condition, nor was there a statistically significant degradation or improvement trend in performance ability as a function of increasing frequency or acceleration.
Numerical simulations are conducted to investigate the uniform flow (UF) and sinusoidal streamwise flow (SSF) over an oscillating 5:1 rectangular cylinder with harmonic heaving motion at initial angles of attack of α = 0° and 3° using two-dimensional, unsteady Reynolds-averaged Navier-Stokes (URANS) equations. First, the aerodynamic parameters of a stationary 5:1 rectangular cylinder in UF are compared with the previous experimental and numerical data to validate the capability of the computationally efficient two-dimensional URANS simulations. Then, the unsteady flow field and aerodynamic forces of the oscillating 5:1 rectangular cylinder in SSF are analysed and compared with those in UF to explore the effect of SSF on the rectangular cylinder. Results show that the alternative vortex shedding is disturbed by SSF both at α = 0° and 3°, resulting in a considerable decrease in the vortex-induced force, whereas the unsteady lift component induced by cylinder motion remains almost unchanged in the SSF comparing with that in UF. Notably, the strong buffeting forces are observed at α = 3° and the energy associated with unsteady lift is primarily because of the oscillations of SSF. In addition, the components of unsteady lift induced by the coupling effects of SSF and cylinder motion are discussed in detail.
The excessive wind-induced motion of tall buildings most frequently result from vortex shedding induced across-wind oscillations. This form of excitation is most pronounced far relatively flexible, lightweight and lightly damped structure, e.g. tall building. This paper discusses aerodynamic means for mitigating the across-wind vortex shedding induced in such situations. Emphasis is on the change of the building cross section to design the building with openings from side to side which provide pressure equalization and tend to reduced the effectiveness of across-wind forces by reducing their magnitudes and disrupting their spatial correlation. Wind tunnel test have been carried out on the Kumoh National University of Technology using rigid models with twenty-four kinds of opening shapes. Form these results, the effective opening shape, size and location for building to reducing wind-induced vortex shedding and responses are pointed out.
A new theoretical model on rain-wind induced vibration (RWIV) of a continuous stay cable is developed in this paper. Different from the existing theoretical analyses in which the cable was modeled as a segmental rigid element, the proposed scheme focuses on the in-plane and out-of-plane responses of a continuous stay cable, which is identical with the prototype cable on cable-stayed bridge. In order to simplify the complexities, the motion law of the rivulet on the cable surface is assumed as a sinusoidal way according to some results obtained from wind tunnel tests. Quasi-steady theory is utilized to determine the aerodynamic forces on the cable. Equations of motion of the cable are derived in a Cartesian Coordinate System and solved by using finite difference method to obtain the in-plane and out-of-plane responses of the cable. The results show that limited cable amplitudes are achieved within a limited range of wind velocity, which is a unique characteristic of RWIV of stay cable. It appears that the in-plane cable amplitude is much larger than the out-of-plane cable amplitude. Rivulet frequency, rivulet distribution along cable axis, and mean wind velocity profile, all have significant effects on the RWIV responses of the prototype stay cable. The effects of damping ratio on RWIVs of stay cables are carefully investigated, which suggests that damping ratio of 1% is needed to well mitigate RWIVs of prototype stay cables.
Many investigations have been conducted to find out the reason behind wind-rain-induced cable vibration in cable-stayed bridges. A single-degree-of-freedom (SDOF) analytical model, which could capture main features of wind-rain-induced cable vibration, was recently presented by the writers. This paper extends the SDOF model to a 2DOF model by including the equation of motion of upper rivulet. The interaction between the upper rivulet and the cable is described in terms of nonlinear damping force, linear restoring force, and inertia force. The computed results using the 2DOF model are first compared with the results from simulated wind-rain tunnel tests, and the comparison is found satisfactory in general. The possible mechanisms of wind-rain-induced cable vibration are discussed and a parametric study is then conducted. Finally, the computed results using the 2DOF model are compared with those predicted by the SDOF model. The 2DOF model is found better than the SDOF model but the SDOF model is still acceptable for its simplicity.
Based on the empirical formulas for power spectra of generalized modal forces and local fluctuating wind forces in across-wind and torsional directions, the wind-induced lateral-torsional coupled response analysis of a representative rectangular tall building was conducted by setting various parameters such as eccentricities in centers of mass and/or rigidity and considering different torsional to lateral stiffness ratios. The eccentricity effects on the lateral-torsional coupled responses of the tall building were studied comprehensively by structural dynamic analysis. Extensive computational results indicated that the torsional responses at the geometric center of the building may be significantly affected by the eccentricities in the centers of mass and/or rigidity. Covariance responses were found to be in the same order of magnitude as the along-wind or across-wind responses in many eccentricity cases, suggesting that the lateral-torsional coupled effects on the overall wind-induced responses can not be neglected for such situations. The calculated results also demonstrated that the torsional motion contributed significantly to the total responses of rectangular tall buildings with mass and/or rigidity eccentricities. It was shown through this study that the framework presented in this paper provides a useful tool to evaluate the wind-induced lateral-torsional coupled responses of rectangular buildings, which will enable structural engineers in the preliminary design stages to assess the serviceability of tall buildings, potential structural vibration problems and the need for a detailed wind tunnel test.
In this study, vortex induced vibrations of a cylinder mounted on a flexible rod are analyzed. This simple configuration represents the key element of new conception bladeless wind turbine (Whitlock 2015). In this study the structure oscillations equation coupled to the wake oscillation equation for this configuration are solved using analytical perturbation method, for the first time. An analytical expression that predicts the lock-in phenomena range of wind speed is derived. The discretized equations of motion are also solved using RKF45 numerical method. The equations of motion are discretized by Galerkin method. Free vibration mode shape of the structure taking into account the discontinuity of the cross section are used as comparison function. Numerical results are compared to the analytical results, and they show a satisfying agreement. The effect of system parameters on the oscillations of structure and wake as well as on the lock-in domain are presented. Moreover, it is shown that the values of wind speed triggering the start and the stop of the lock-in phenomenon, for increasing wind speed are different from those values obtained during the reverse process, i.e., when the wind speed decreases.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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