The main purpose of this study is to discuss the design wind loads for the structural frames of single-layer latticed domes with long spans. First, wind pressures are measured simultaneously at many points on dome models in a wind tunnel. Then, the dynamic response of several models is analyzed in the time domain, using the pressure data obtained from the wind tunnel experiment. The nodal displacements and the resultant member stresses are computed at each time step. The results indicate that the dome's dynamic response is generally dominated by such vibration modes that contribute to the static response significantly. Furthermore, the dynamic response is found to be almost quasi-static. Then, a series of quasi-static analyses, in which the inertia and damping terms are neglected, is made for a wide range of the dome's geometry. Based on the results, a discussion is made of the design wind load. It is found that a gust effect factor approach can be used for the load estimation. Finally, an empirical formula for the gust effect factor and a simple model of the pressure coefficient distribution are provided.
Su, Ning;Peng, Shitao;Hong, Ningning;Wu, Xiaotong;Chen, Yunyue
Wind and Structures
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v.30
no.4
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pp.405-421
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2020
Quayside container cranes are important delivery machineries located in the most frontiers of container terminals, where strong wind attacks happen occasionally. Since the previous researches on quayside container cranes mainly focused on the mean wind load and static response characteristics, the fluctuating wind load and dynamic response characteristics require further investigations. In the present study, the aerodynamic wind loads on quayside container cranes were obtained from wind tunnel tests. The probabilistic and spectral models of the fluctuating aerodynamic loads were established. Then the joint probabilistic distributions of dynamic wind-induced responses were derived theoretically based on a series of Gaussian and independent assumption of resonant components. Finally, the results were validated by time domain analysis using wind tunnel data. It is concluded that the assumptions are acceptable. And the presented approach can estimate peak dynamic sliding force, overturning moments and leg uplifts of quayside container cranes effectively and efficiently.
Local transient extreme wind loads caused by group tower-related interference are among the major reasons that lead to wind-induced damage of super-large cooling towers. Four-tower arrangements are the most commonly seen patterns for super-large cooling towers. We considered five typical four-tower arrangements in engineering practice, namely, single row, rectangular, rhombic, L-shaped, and oblique L-shaped. Wind tunnel tests for rigid body were performed to determine the influence of different arrangements on static and dynamic wind loads and extreme interference effect. The most unfavorable working conditions (i.e., the largest overall wind loads) were determined based on the overall aerodynamic coefficient under different four-tower arrangements. Then we calculated the one-, two- and three-dimensional aerodynamic loads under different four-tower arrangements. Statistical analyses were performed on the wind pressure signals in the amplitude and time domains under the most unfavorable working conditions. On this basis, the non-Gaussian distribution characteristics of aerodynamic loads on the surface of the cooling towers under different four-tower arrangements were analyzed. We applied the Sadek-Simiu procedure to the calculation of two- and three-dimensional aerodynamic loads in the cooling towers under the four-tower arrangements, and the extreme wind load distribution patterns under the most unfavorable working conditions in each arrangement were compared. Finally, we proposed a uniform equation for fitting the extreme wind loads under the four-tower arrangements; the accuracy and reliability of the equation were verified. Our research findings will contribute to the optimization of the four-tower arrangements and the determination of extreme wind loads of super-large cooling towers.
This paper presents a beam finite element model of a vibrate wind blade in large elastic deformation subjected to the aerodynamic, centrifugal, gyroscopic and gravity loads. The gyroscopic loads applied to the blade are induced by her simultaneous vibration and rotation. The proposed beam finite element model is based on a simplex interpolation method and it is mainly intended to the numerical analysis of wind blades vibration in large elastic deformation. For this purpose, the theory of the sheared beams and the finite element method are combined to develop the algebraic equations system governing the three-dimensional motion of blade vibration. The applicability of the theoretical approach is elucidated through an original case study. Also, the static deformation of the used wind blade is assessed by appropriate software using a solid finite element model in order to show the effectiveness of the obtained results. To simulate the nonlinear dynamic response of wind blade, the predictor-corrector Newmark scheme is applied and the stability of numerical process is approved during a large time of blade functioning. Finally, the influence of the modified geometrical stiffness on the amplitudes and frequencies of the wind blade vibration induced by the sinusoidal excitation of gravity is analyzed.
As a new kind of construction facility for high rise buildings, the integral steel platform scaffold system (ISPS) consisting of the steel skeleton and suspended scaffold faces high wind during the construction procedure. The lattice structure type and existence of core tubes both make it difficult to estimate the wind load and calculate the wind-induced responses. In this study, an aeroelastic model with a geometry scale ratio of 1:25 based on the ISPS for Shanghai Tower, with the representative square profile, is manufactured and then tested in a wind tunnel. The first mode of the prototype ISPS is a torsional one with a frequency of only 0.68 Hz, and the model survives under extreme wind speed up to 50 m/s. The static wind load and wind vibration factors are derived based on the test result and supplementary finite element analysis, offering a reference for the following ISPS design. The spacer at the bottom of the suspended scaffold is suggested to be long enough to touch the core tube in the initial status to prevent the collision. Besides, aerodynamic wind loads and cross-wind loads are suggested to be included in the structural design of the ISPS.
Valdes-Vazquez, Jesus G.;Garcia-Soto, Adrian D.;Hernandez-Martinez, Alejandro;Nava, Jose L.
Wind and Structures
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v.31
no.6
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pp.533-548
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2020
Despite the current technologic developments, failures in existent tensile fabric structures (TFS) subjected to wind do happen. However, design pressure coefficients are only obtained for large projects. Moreover, studies on TFSs with realistic supporting frames, comparing static and dynamic analyses and discussing the design implications, are lacking. In this study, fluid-Structure analyses of a TFS supported by masts and inclined cables, by subjecting it to different wind speeds, are carried out, to gain more understanding in the above-referred aspects. Wind-induced stresses in the fabric and axial forces in masts and cables are assessed for a hypar by using computational fluid dynamics. Comparisons are carried out versus an equivalent static analysis and also versus loadings deemed representative for design. The procedure includes the so-called form-finding, a finite element formulation for the TFS and the fluid formulation. The selected structure is deemed realistic, since the supporting frame is included and the shape and geometry of the TFS are not uncommon. It is found that by carrying out an equivalent static analysis with the determined pressure coefficients, differences of up to 24% for stresses in the fabric, 5.4% for the compressive force in the masts and 21% for the tensile force in the cables are found with respect to results of the dynamic analysis. If wind loads commonly considered for design are used, significant differences are also found, specially for the reactions at the supporting frame. The results in this study can be used as an aid by designers and researchers.
This study presents a comprehensive investigation of the aerostatic and buffeting response characteristics of a suspension bridge catwalk. The three-dimensional aerostatic response analysis was carried out taking into account the geometric nonlinearity and nonlinear dependence of wind loads on the angle of attack. The buffeting response analysis was performed in the time domain. The aerostatic and buffeting responses of the catwalk show strong coupling of vertical and lateral vibrations. The lateral displacement is the main component of the wind-induced static and buffeting response of the catwalk.
Under a severe environment of multiple hazards such as earthquakes and winds, the life-cycle performance of engineering structures may inevitably be deteriorated due to the fatigue effect caused by long-term exposure to wind loads, which would further increase the structural vulnerability to earthquakes. This paper presents a framework for evaluating the lifetime structural seismic performance under the effect of wind-induced fatigue considering different sources of uncertainties. The seismic behavior of a high-rise steel-concrete composite frame with buckling-restrained braces (FBRB) during its service life is systematically investigated using the proposed approach. Recorded field data for the wind hazard of Fuzhou, Fujian Province of China from Jan. 1, 1980 to Mar. 31, 2019 is collected, based on which the distribution of wind velocity is constructed by the Gumbel model after comparisons. The OpenSees platform is employed to establish the numerical model of the FBRB and conduct subsequent numerical computations. Allowed for the uncertainties caused by the wind generation and structural modeling, the final annual fatigue damage takes the average of 50 groups of simulations. The lifetime structural performance assessments, including static pushover analyses, nonlinear dynamic time history analyses and fragility analyses, are conducted on the time-dependent finite element (FE) models which are modified in lines with the material deterioration models. The results indicate that the structural performance tends to degrade over time under the effect of fatigue, while the influencing degree of fatigue varies with the duration time of fatigue process and seismic intensity. The impact of wind-induced fatigue on structural responses and fragilities are explicitly quantified and discussed in details.
Nonlinear behavior in fluid-structure interaction (FSI) of bridge decks becomes increasingly significant for modern bridges with increasing spans, larger flexibility and new aerodynamic deck configurations. Better understanding of the nonlinear aeroelasticity of bridge decks and further development of reduced-order nonlinear models for the aeroelastic forces become necessary. In this paper, the amplitude-dependent and neutral angle dependent nonlinearities of the motion-induced loads are further highlighted by series of computational fluid dynamics (CFD) simulations. An effort has been made to investigate a semi-analytical time-domain model of the nonlinear motion induced loads on the deck, which enables nonlinear time domain simulations of the aeroelastic responses of the bridge deck. First, the computational schemes used here are validated through theoretically well-known cases. Then, static aerodynamic coefficients of the Great Belt East Bridge (GBEB) cross section are evaluated at various angles of attack, leading to the so-called nonlinear backbone curves. Flutter derivatives of the bridge are identified by CFD simulations using forced harmonic motion of the cross-section with various frequencies. By varying the amplitude of the forced motion, it is observed that the identified flutter derivatives are amplitude-dependent, especially for $A^*_2$ and $H^*_2$ parameters. Another nonlinear feature is observed from the change of hysteresis loop (between angle of attack and lift/moment) when the neutral angles of the cross-section are changed. Based on the CFD results, a semi-analytical time-domain model for describing the nonlinear motion-induced loads is proposed and calibrated. This model is based on accounting for the delay effect with respect to the nonlinear backbone curve and is established in the state-space form. Reasonable agreement between the results from the semi-analytical model and CFD demonstrates the potential application of the proposed model for nonlinear aeroelastic analysis of bridge decks.
A nonlinear numerical method was developed to assess the stability of suspension bridge catwalks under a wind load. A section model wind tunnel test was used to obtain a catwalk's aerostatic coefficients, from which the displacement-dependent wind loads were subsequently derived. The stability of a suspension bridge catwalk was analyzed on the basis of the geometric nonlinear behavior of the structure. In addition, a full model test was conducted on the catwalk, which spanned 960 m. A comparison of the displacement values between the test and the numerical simulation shows that a numerical method based on a section model test can be used to effectively and accurately evaluate the stability of a catwalk. A case study features the stability of the catwalk of the Runyang Yangtze suspension bridge, the main span of which is 1490 m. Wind can generally attack the structure from any direction. Whenever the wind comes at a yaw angle, there are six wind load components that act on the catwalk. If the yaw angle is equal to zero, the wind is normal to the catwalk (called normal wind) and the six load components are reduced to three components. Three aerostatic coefficients of the catwalk can be obtained through a section model test with traditional test equipment. However, six aerostatic coefficients of the catwalk must be acquired with the aid of special section model test equipment. A nonlinear numerical method was used study the stability of a catwalk under a yaw wind, while taking into account the six components of the displacement-dependent wind load and the geometric nonlinearity of the catwalk. The results show that when wind attacks with a slight yaw angle, the critical velocity that induces static instability of the catwalk may be lower than the critical velocity of normal wind. However, as the yaw angle of the wind becomes larger, the critical velocity increases. In the atmospheric boundary layer, the wind is turbulent and the velocity history is a random time history. The effects of turbulent wind on the stability of a catwalk are also assessed. The wind velocity fields are regarded as stationary Gaussian stochastic processes, which can be simulated by a spectral representation method. A nonlinear finite-element model set forepart and the Newmark integration method was used to calculate the wind-induced buffeting responses. The results confirm that the turbulent character of wind has little influence on the stability of the catwalk.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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