Journal of Korean Association for Spatial Structures
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v.17
no.1
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pp.77-84
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2017
Vortex-induced vibration and instability vibration of tall buildings are very important fluid-structure interaction phenomenon, and many fundamental questions concerning the influence of body movement on the unsteady aerodynamic force remain unanswered. For tall buildings, there are two experimental methods to investigate the characteristics of unsteady aerodynamic forces, one is forced vibration method and the other is free vibration method. In the present paper, a free vibration method was used to investigate the unsteady aerodynamic force on tall building whose aspect ratio is 9 under boundary layer simulating city area. Wind pressures on surfaces and tip displacements were measured simultaneously, and the characteristics of tip displacements and generalized forces were discussed. It was found that variation of across-wind displacements showed different trend between the case when wind speed increases and wind speed decreases, and the fluctuating generalize forces in across-wind direction of vibrating model are larger than that of static model near the resonant wind speed and approach to the static value. And for higher wind speed range, there were two peaks in across-wind power spectra of generalize forces of vibrating model, which means that two frequency components are predominant in unsteady aerodynamic forces.
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.
In recent years, high-strength, light-weight materials have been widely used in the construction of high-rise buildings. Such structures generally have flexible, low-damping characteristics. Consequently, wind-induced oscillation greatly affects the structural safety and the comfort of the building's occupants. In this research, wind tunnel experiments were carried out to study the wind-induced vibration of a building with a tuned liquid column damper (TLCD). Then, a model for predicting the aerodynamic response in the across-wind direction was generated. Finally, a computing procedure was developed for the analytical modeling of the structural oscillation in a building with a TLCD under the wind load. The model agrees substantially with the experimental results. Therefore, it may be used to accurately calculate the structural response. Results from this investigation show that the TLCD is more advantageous for reducing the across-wind vibration than the along-wind oscillation. When the across-wind aerodynamic effects are considered, the TLCD more effectively controls the aerodynamic response. Moreover, it is also more useful in suppressing the acceleration than the displacement in biaxial directions. As s result, TLCDs are effective devices for reducing the wind-induced vibration in buildings. Parametric studies have also been conducted to evaluate the effectiveness of the TLCD in suppressing the structural oscillation. This study may help engineers to more correctly predict the aerodynamic response of high-rise buildings as well as select the most appropriate TLCDs for reducing the structural vibration under the wind load. It may also improve the understanding of wind-structure interactions and wind resistant designs for high-rise buildings.
Ivan F. Huergo;Hugo Hernandez-Barrios;Roberto Gomez-Martinez
Wind and Structures
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v.38
no.1
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pp.15-42
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2024
A flexible-base coupled-two-beam (CTB) discrete model with equivalent tuned mass dampers is used to assess the effect of soil-structure interaction (SSI) and different types of lateral resisting systems on the design of passive dynamic absorbers (PDAs) under the action of along-wind and across-wind loads due to vortex shedding. A total of five different PDAs are considered in this study: (1) tuned mass damper (TMD), (2) circular tuned sloshing damper (C-TSD), (3) rectangular tuned sloshing damper (R-TSD), (4) two-way liquid damper (TWLD) and (5) pendulum tuned mass damper (PTMD). By modifying the non-dimensional lateral stiffness ratio, the CTB model can consider lateral deformations varying from those of a flexural cantilever beam to those of a shear cantilever beam. The Monte Carlo simulation method was used to generate along-wind and across-wind loads correlated along the height of a real shear wall-frame building, which has similar fundamental periods of vibration and different modes of lateral deformation in the xz and yz planes, respectively. Ambient vibration tests were conducted on the building to identify its real lateral behavior and thus choose the most suitable parameters for the CTB model. Both alongwind and across-wind responses of the 144-meter-tall building were computed considering four soil types (hard rock, dense soil, stiff soil and soft soil) and a single PDA on its top, that is, 96 time-history analyses were carried out to assess the effect of SSI and lateral resisting system on the PDAs design. Based on the parametric analyses, the response significantly increases as the soil flexibility increases for both type of lateral wind loads, particularly for flexural-type deformations. The results show a great effectiveness of PDAs in controlling across-wind peak displacements and both along-wind and across-wind RMS accelerations, on the contrary, PDAs were ineffective in controlling along-wind peak displacements on all soil types and different kind of lateral deformation. Generally speaking, the maximum possible value of the PDA mass efficiency index increases as the soil flexibility increases, on the contrary, it decreases as the non-dimensional lateral stiffness ratio of the building increases; therefore, there is a significant increase of the vibration control effectiveness of PDAs for lateral flexural-type deformations on soft soils.
The inerter-based vibration absorber (IVA) is an enhanced variation of Tuned Mass Damper (TMD). The parametric optimization of absorbers in the previous research mainly considered only two decision variables, namely frequency ratio and damping ratio, and aimed to minimize peak displacement and acceleration individually under the excitation of the across-wind load. This paper extends these efforts by minimizing two conflicting objectives simultaneously, i.e., the extreme displacement and acceleration at the top floor, under the constraint of the physical mass. Six decision variables are optimized by adopting a constrained multi-objective evolutionary algorithm (CMOEA), i.e., NSGA-II, under fluctuating across- and along-wind loads, respectively. After obtaining a set of optimal individuals, a decision-making approach is employed to select one solution which corresponds to a Tuned Mass Damper Inerter/Tuned Inerter Damper (TMDI/TID). The optimization procedure is applied to parametric optimization of TMDI/TID installed in a 340-meter-high building under wind loads. The case study indicates that the optimally-designed TID outperforms TMDI and TMD in terms of wind-induced vibration mitigation under different wind directions, and the better results are obtained by the CMOEA than those optimized by other formulae. The optimal TID is proven to be robust against variations in the mass and damping of the host structure, and mitigation effects on acceleration responses are observed to be better than displacement control under different wind directions.
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.
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.
Across-wind aerodynamic damping ratios are identified from the wind-induced acceleration responses of 15 aeroelastic models of rectangular super-high-rise buildings in various simulated wind conditions by using the random decrement technique. The influences of amplitude-dependent structural damping ratio and natural frequency on the estimation of the aerodynamic damping ratio are discussed and the identifying method for aerodynamic damping is improved at first. Based on these works, effects of turbulence intensity $I_u$, aspect ratio H/B, and side ratio B/D on the across-wind aerodynamic damping ratio are investigated. The results indicate that turbulence intensity and side ratio are the most important factors that affect across-wind aerodynamic damping ratio, whereas aspect ratio indirectly affects the aerodynamic damping ratio by changing the response amplitude. Furthermore, empirical aerodynamic damping functions are proposed to estimate aerodynamic damping ratios at low and high reduced speeds for rectangular super-high-rise buildings with an aspect ratio in the range of 5 to 10, a side ratio of 1/3 to 3, and turbulence intensity varying from 1.7% to 25%.
Journal of the Computational Structural Engineering Institute of Korea
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v.36
no.3
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pp.185-192
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2023
In this study, fluctuating wind velocity for time history analysis is simulated by a single variate, single-dimensional random process using the KBC2022 spectrum about across-wind direction. This study analyzed and obtained the inelastic dynamic response for structures modeled as a single-degree-of-freedom system. It is assumed that the wind response is excellent in the primary mode, the change in vibration owing to plasticization is minor, along-wind vibration and across-wind vibration are independent, and the effect of torsional vibration is small. The numerical results, obtained by the Newmark-𝛽 method, shows the time-history responses and trends of maximum displacements. As a result of analyzing the inelastic dynamic response of the structure with the second stiffness ratio(𝛼) and yield displacement ratio (𝛽) as variables, it is identified that as the yield displacement ratio (𝛽) increases when the second stiffness ratio is constant, the maximum displacement ratio decreases, then reaches a minimum value, and then increases. When the stiffness ratio is greater than 0.5, there is a yield point ratio at which the maximum displacement ratio is less than 1, indicating that the maximum deformation is reduced compared to the elastically designed building even if the inelastic behavior is permitted in the inelastic wind design.
Aerodynamic damping often plays an important role in estimations of wind induced dynamic responses of super high-rise buildings. Across- and along-wind aerodynamic damping ratios of a square super high-rise building with a height of 300 m are identified with the Random Decrement technique (RDT) from random vibration responses of the SDOF aeroelastic model in simulated wind fields. Parametric studies on effects of reduced wind velocity, terrain type and structural damping ratio on the aerodynamic damping ratios are further performed. Finally formulas of across- and along-wind aerodynamic damping ratios of the square super high-rise building are derived with curve fitting technique and accuracy of the formulas is verified.
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