Wind tunnel experiment was carried out to study the cross-wind layer forces on a square cross-section building model using a synchronous multi-pressure sensing system. The stationarity of measured wind loadings are firstly examined, revealing the non-stationary feature of cross-wind forces. By converting the measured non-stationary wind forces into an energetically equivalent stationary process, the characteristics of local wind forces are studied, such as power spectrum density and spanwise coherence function. Mathematical models to describe properties of cross-wind forces at different layers are thus established. Then, a conditional simulation method, which is able to ex-tend pressure measurements starting from experimentally measured points, is proposed for the cross-wind loading. The method can reproduce the non-stationary cross-wind force by simulating a stationary process and the corresponding time varying amplitudes independently; in this way the non-stationary wind forces can finally be obtained by combining the two parts together. The feasibility and reliability of the proposed method is highlighted by an ex-ample of across wind loading simulation, based on the experimental results analyzed in the first part of the paper.
In this study, the characteristics of flows around building groups are investigated using a computational fluid dynamics (CFD) model. For this, building groups with different volumetric ratios in a fixed area are considered. As the volumetric ratio of the building group increases, the region affected by the building group is widened. However, the wind-speed reduced area rather decreases with the volumetric ratio near the ground bottom (z ${\lesssim}$ 0.7H, here, H is the height of the building group) and, above 0.7H, it increases. As the volumetric ratio decreases (that is, space between buildings was widened), the size of recirculation region decreases but flow recovery is delayed, resulting in the wider wind-speed reduced area. The increase in the volumetric ratio results in larger drag force on the flow above the roof level, consequently reducing wind speed above the roof level. However, above z ${\gtrsim}$ 1.7H, wind speed increases with the volumetric ratio for satisfying mass conservation, resultantly increasing turbulent kinetic energy there. Inside the building groups, wind speed decreased with the volumetric ratio and averaged wind speed is parameterized in terms of the volumetric ratio and background flow speed. The parameterization method is applied to producing averaged wind speed for 80 urban areas in 7 cities in Korea, showing relatively good performance.
This paper presents an extensive analysis of the short term, unsteady wind loading on a low-rise building. The building is located in a rural environment and only the specific situation of wind flow orthogonal to the long face of the structure is considered. The data is analysed using conventional analysis and less traditional methods such as conditional sampling and wavelet analysis. The nature of the flow field over the building is found to be highly unsteady and complex. Fluctuating pressures on the windward wall are shown to a large extent to be caused by the fluctuations in the upstream flow, whereas extreme pressures on the roof are as a result of high intensity small scale flow structures. On the roof of the building a significant amount of energy is shown to exist at frequencies above 1 Hz.
Since low-rise residential buildings are the most common and vulnerable structures in coastal areas, a reliable prediction of their performance under hurricanes is necessary. The present study focuses on developing a refined finite element model that is able to more rigorously represent the load distributions or redistributions when the building behaves as a unit or any portion is overloaded. A typical 5:12 sloped low-rise residential building is chosen as the prototype and analyzed under wind pressures measured in the wind tunnel. The structural connections, including the frame-to-frame connections and sheathing-to-frame connections, are modeled extensively to represent the critical structural details that secure the load paths for the entire building system as well as the boundary conditions provided to the building envelope. The nail withdrawal, the excessive displacement of sheathing, the nail head pull-through, the sheathing in-plane shear, and the nail load-slip are found to be responsible for the building envelope damage. The uses of the nail type with a high withdrawal capacity, a thicker sheathing panel, and an optimized nail edge distance are observed to efficiently enhance the building envelope performance based on the present numerical damage predictions.
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.
The effects of wind fence on the pressure characteristics around low-rise building model were investigated experimentally. Flow characteristics of turbulences behind wind fence were measured using hot-wire anemometer. The wind fence characterize by varying the porosity of 0 %, 40 % and the distances from the wind fence from 1 H to 6 H with maintaining the uniform flow velocity of 6 m/s. We investigated the overall characterization of the low-rise building by measuring pressure seventy four on model. The effects of porosity fences varied with the porosity of the fence and measurement locations(1H-6H). The 0% porosity proved to be effective for the protection area of 4H to 6H, but the 40% porosity proved to be effective for the protection area of 1H to 6H. The low-rise building of front face was found to be best wind fence for decreasing the mean, maximum and minimum pressure fluctuation.
The wind tunnel test makes it possible to predict the wind loads for the wind resistant design. There are many methods to evaluate wind loads from data obtained from the wind tunnel test and these methods have advantages and disadvantages. In this study, two of these methods were analyzed and compared. One is the wind load evaluation method by fluctuating displacement and the other is the wind load evaluation method considering vertical profile of fluctuating wind force. The former method is evaluated as the sum of the mean wind load of the average wind force and the maximum value of the fluctuating wind load. The latter method is evaluated as the sum of the mean wind load and maximum value of the background wind load, and the maximum value of the resonant wind load. Two methods were applied to the wind tunnel test to compare the evaluated wind loads according to the two methods, with a maximum difference of about 1.2 times. The wind load evaluated by the method considering vertical profile of the fluctuating wind force (VPFWF) was larger than the wind load evaluated by the method by fluctuating displacement (FD). Especially, the difference of the wind load according to the two methods is large in the lower part of the building and the wind load is reversed at a specific height of the building. VPFWF of evaluating resonant wind loads and background wind loads separately is more reasonable.
The characteristics of the coherence functions of X axial, Y axial, and RZ axial (i.e., body axis) wind forces on the Shanghai World Trade Centre - a 492 m super-tall building with section varying along height are studied via a synchronous multi-pressure measurement of the rigid model in wind tunnel simulating of the turbulent, and the corresponding mathematical expressions are proposed there from. The investigations show that the mathematical expressions of coherence functions in across-wind and torsional-wind directions can be constructed by superimposition of a modified exponential decay function and a peak function caused by turbulent flow and vortex shedding respectively, while that in along-wind direction need only be constructed by the former, similar to that of wind speed. Moreover, an inductive analysis method is proposed to summarize the fitted parameters of the wind force coherence functions of every two measurement levels of altitudes. The comparisons of the first three order generalized force spectra show that the proposed mathematical expressions accord with the experimental results well. Later, the influences of coherence functions on wind-induced dynamic responses are analyzed in detail based on the proposed mathematical expressions and the frequency-domain method of random vibration theory.
This paper presents statistical analysis results of wind speed and atmospheric turbulence data measured from more than 30 anemometers installed at 15 different height levels on 325 m high Beijing Meteorological Tower and is primarily intended to provide useful information on boundary layer wind characteristics for wind-resistant design of tall buildings and high-rise structures. Profiles of mean wind speed are presented based on the field measurements and are compared with empirical models' predictions. Relevant parameters of atmospheric boundary layer at urban terrain are determined from the measured wind speed profiles. Furthermore, wind velocity data in longitudinal, lateral and vertical directions, which were recorded from an ultrasonic anemometer during windstorms, are analyzed and discussed. Atmospheric turbulence information such as turbulence intensity, gust factor, turbulence integral length scale and power spectral densities of the three-dimensional fluctuating wind velocity are presented and used to evaluate the adequacy of existing theoretical and empirical models. The objective of this study is to investigate the profiles of mean wind speed and atmospheric turbulence characteristics over a typical urban area.
Aly, Aly Mousaad;Fossati, Fabio;Muggiasca, Sara;Argentini, Tommaso;Bitsuamlak, Girma;Franchi, Alberto;Longarini, Nicola;Crespi, Pietro;Chowdhury, Arindam Gan
Wind and Structures
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제17권1호
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pp.69-85
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2013
With the sustainability movement, vegetated building envelopes are gaining more popularity. This requires special wind effect investigations, both from sustainability and resiliency perspectives. The current paper focuses on wind load estimation on small- and full-scale trees used as part of green roofs and balconies. Small-scale wind load assessment was carried out using a wind tunnel testing in a global-effect study to understand the interference effects from surrounding structures. Full-scale trees were investigated at a large open-jet facility in a local-effect study to account for the wind-tree interaction. The effect of Reynolds number combined with shape change on the overall loads measured at the base of the trees (near the roots) has been investigated by testing at different model-scales and wind speeds. In addition, high-speed tests were conducted to examine the security of the trees in soil and to assess the effectiveness of a proposed structural mitigation system. Results of the current research show that at relatively high wind speeds the load coefficients tend to be reduced, limiting the wind loads on trees. No resonance or vortex shedding was visually observed.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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