This paper presents an integrated wind-induced dynamic analysis and computer-based design optimization technique for minimizing the structural cost of general tall buildings subject to static and dynamic serviceability design criteria. Once the wind-induced dynamic response of a tall building structure is accurately determined and the optimal serviceability design problem is explicitly formulated, a rigorously derived Optimality Criteria (OC) method is to be developed to achieve the optimal distribution of element stiffness of the structural system satisfying the wind-induced drift and acceleration design constraints. The effectiveness and practicality of the optimal design technique are illustrated by a full-scale 60-story building with complex 3D mode shapes. Both peak resultant acceleration criteria and frequency dependent modal acceleration criteria are considered and their influences on the optimization results are highlighted. Results have shown that the use of various acceleration criteria has different implications in the habitability evaluations and subsequently different optimal design solutions. The computer based optimization technique provides a powerful tool for the lateral drift and occupant comfort design of tall building structures.
As outdoor environment become worse due to concentration of population in large cities, the importance of environmental control strategies such as the arrangement of green space or water space and ventilation paths, has been increasingly recognized. However, most of the studies focus on the assessment on outdoor thermal environment, few studies focus on the interrelationship between thermal environment in residential block and human thermal comfort. The aims of this study is to develop the outdoor planning method to reduce the heating/cooling load in an apartment unit or entire block by the sustainable approaches in outdoor environmental design. In this paper, on the basis of the prior studies, the effect of the outdoor thermal environment on human thermal comfort will be analysed.
Buildings in the city acts as a cause of distorted wind direction, wind speed, causing the stagnation of the air flow. In the recent trend of climate change can not but consider the temperature rise of the urbanization. This study was aimed to analyze the thermal comfort of planetary boundary layer in different artificial constructions areas which has a direct impact on urban climate, and estimating the warming phenomena. Envi-met model was used to consider the urban structure associated with urban growth in order to precisely determine the impact of the building on the city weather condition. The analyzed values of thermal comfort index were temperature, wind speed, horizontal and vertical turbulent diffusivity. In particular, analysis of the PPD(Predicted Percentage of Dissatisfied) represents the human thermal comfort. In this study, by adjusting the arrangement and proportion of the top floor building in the urban it was found that the inflow of the fresh air and cooling can be derived low PPD. Vertical heat flux amount of the city caused by climate change was a factor to form a high potential temperature in the city and the accumulation of cold air does not appear near the surface. Based on this, to make the city effectively respond to climate change may require a long-term restructuring of urban spatial structure and density management.
열 쾌적 제어는 실내 환경의 질을 나타내는 기본 요소로써 건물에서 사용되는 에너지와 거주자의 만족도에 매우 밀접하게 연관되어 있다. 본 논문에서는 실내의 쾌적 상태(Predictive Mean Vote)를 검출하고, 목표 소비 전력 내에서 냉난방 온도, 습도, 풍량을 제어함으로써 에너지를 절감하고 근무자에게 쾌적한 환경을 제공할 수 있는 스마트 쾌적 제어 알고리즘을 제안하였다. 시뮬레이션 결과, 열 쾌적 제어에 의한 냉난방제어는 기존의 일반 냉난방기에 비해서 실내의 쾌적도는 그대로 유지한 상태에서 0.5kW의 전력을 절감할 수 있고, 조명제어 알고리즘이 적용된 조명 제어에 의해서 49.2%의 조명 개선 효과가 이루어짐을 알 수 있었다. 시뮬레이션을 통해서 검증된 쾌적 제어 알고리즘을 기존의 냉난방기에 적용할 경우 쾌적도는 유지하고 에너지는 절감할 수 있을 것으로 예상된다.
Recently, hybrid air-conditioning system has been proposed and applied to achieve building energy saving. One example is a system combining radiation panel with natural wind-induced cross-ventilation. However, few research works have been conducted on the non-uniformity of thermal comfort in such hybrid air-conditioning system. In this paper, both thermal environment and non-uniform thermal comfort of human thermal model under various air-conditioning system, including hybrid system, were evaluated in a typical office room using coupled simulation of computation fluid dynamics, radiation model and a human thermal model. The non-uniformity of thermal comfort was evaluated from the deviation of surface temperature of human thermal model. Flow fields and temperature distribution in each case were represented.
High-rise as a building typology is gaining popularity in Asian mega-cities, due to its advantages in increasing volumetric density with limited land resources. Numerous factors contribute to the formation of high-rise urban form, from economical and institutional, environmental to socio-political. Environmental concerns over the impact of rapid urbanization in developing economies demand new thought on the link between urban environment and urban form. Outdoor and indoor climate, pedestrian comfort, and building energy consumption are all related to and impacted by urban form and building morphology. There are many studies and practices on designing individual "green" high-rise buildings, but far fewer studies on designing high-rise building clusters from the perspective of environmental performance optimization.. This paper focuses on the environmental perspective, and its correlation with the evolution of the high-rise urban form. Previous studies on urban morphology in terms of environmental and energy performance are reviewed. Studies on "parameterizing" urban morphology to estimate its environmental performance are reviewed, and the possible urban design implications of the study are demonstrated in by the author, by way of a microclimate map of the iconic Shanghai Xiao Lujiazui CBD. The study formulates the best-practice design guidelines for creating walkable and comfortable outdoor space in a high-rise urban setting, including proper sizing of street blocks and building footprint, provision of shading, and facilitating urban ventilation.
Recently, preparing countermeasures about energy depletion and CO2 emission progressing rapidly is considered as an urgent problem not only in domestic country but also in international countries. Among this, the requirement for the comfort development of in door environment is increasing according to housing culture and life environment changing. Thus, it is required urgently to save building energy and develop fusion technology maintaining comfort of indoor environment. Recently, energy-saving ways in saving heating and cooling energy by latent heat and thermal storage is considered significantly. In this study, keeping up with the times, thermal performance analyzed. Also, this study has the aim to draw materials for evaluating usefulness and efficiency.
Fernando L. Tres Junior;Guilherme F. Medeiros;Moacir Kripka
Steel and Composite Structures
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제51권6호
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pp.647-659
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2024
Given the increased interest in enhancing structural sustainability, the current study sought to apply multiobjective optimization to a footbridge with a steel-concrete composite I-girder structure. It was considered as objectives minimizing the cost for building the structure, the environmental impact assessed by CO2 emissions, and the vertical accelerations created by human-induced vibrations, with the goal of ensuring pedestrian comfort. Spans ranging from 15 to 25 meters were investigated. The resistance of the slab's concrete, the thickness of the slab, the dimensions of the welded steel I-profile, and the composite beam interaction degree were all evaluated as design variables. The optimization problem was handled using the Multiobjective Harmony Search (MOHS) metaheuristic algorithm. The optimization results were used to generate a Pareto front for each span, allowing us to assess the correlations between different objectives. By evaluating the values of design variables in relation to different levels of pedestrian comfort, it was identified optimal values that can be employed as a starting point in predimensioning of the type of structure analyzed. Based on the findings analysis, it is possible to highlight the relationship between the structure's cost and CO2 emission objectives, indicating that cost-effective solutions are also environmentally efficient. Pedestrian comfort improvement is especially feasible in smaller spans and from a medium to a maximum level of comfort, but it becomes expensive for larger spans or for increasing comfort from minimum to medium level.
Four different buildings having various wall construction are analyzed for the effect of wall mass on the thermal performance and inside building air and wall temperature transient and also for calculating the energy consumption load. This analytical study was motivated by the experimental work of Burch et al. An analytical solution of one-dimensional, linear, partial differential equations is obtained using the Laplace transform method, Bromwich and modified Bromwich contour method. A simple dynamic model using steady state analysis as simplified methods is developed and results of energy consumption loads are compared with results obtained using the analytical solution. Typical Meteorological Year data are processed to yield hourly average monthly values. This study is conducted using weather data from two different locations in Korea: Daegu having severe weather in summer and winter and Jeju having mild weather almost all year round. There is a significant wall mass effect on the thermal performance of a building in mild weather condition. Buildings of heavyweight construction with insulation show the highest comfort level in mild weather condition. A proportional controller provides the higher comfort level in comparison with buildings using on-off controller. The steady state analysis gives an accurate estimate of energy load for all types of construction. Finally, it appears that both mass and wall insulation are important factors in the thermal performance of buildings, but their relative merits should be decided in each building by a strict analysis of the building layout, weather conditions and site condition.
Burton, Melissa D.;Kwok, Kenny C.S.;Hitchcock, Peter A.
Wind and Structures
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제14권6호
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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.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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