High-rise buildings are generally sensitive to strong winds. The evaluation of wind loads for the structural design, structural health monitoring (SHM), and vibration control of high-rise buildings is of primary importance. Nevertheless, it is difficult or even infeasible to measure the wind loads on an existing building directly. In this regard, a new inverse method for evaluating wind loads on high-rise buildings is developed in this study based on a discrete-time Kalman filter. The unknown structural responses are identified in conjunction with the wind loads on the basis of limited structural response measurements. The algorithm is applicable for estimating wind loads using different types of wind-induced response. The performance of the method is comprehensively investigated based on wind tunnel testing results of two high-rise buildings with typical external shapes. The stability of the proposed algorithm is evaluated. Furthermore, the effects of crucial factors such as cross-section shapes of building, the wind-induced response type, errors of structural modal parameters, covariance matrix of noise, noise levels in the response measurements and number of vibration modes on the identification accuracy are examined through a detailed parametric study. The research outputs of the proposed study will provide valuable information to enhance our understanding of the effects of wind on high-rise buildings and improve codes of practice.
Journal of the Computational Structural Engineering Institute of Korea
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v.31
no.6
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pp.309-314
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2018
The wind load and structural characteristics of a twin building are more complex than those of conventional high-rise buildings. The pressure load due to wind on a twin building was therefore measured via wind tunnel experiments to analyze such characteristics. The wind pressure pattern was then deduced from measured data using proper orthogonal decomposition. Channeling and vortex shedding were observed in the first and second modes, respectively. The along-wind loads on the two buildings featured a positive correlation and the cross-wind loads featured no correlation. Such a correlation affected the wind-induced displacement. The structural member connecting the two buildings had an insignificant effect on the positive correlation, but it notably reduced the wind-induced displacement with a negative correlation.
This paper presents the effects of free-stream turbulence on streamwise surface pressure fluctuations on two-dimensional rectangular cylinders. Particular attention is given to possible effects of turbulence integral scale on fluctuation and peak pressures. The mean, standard deviation, peak pressure coefficients, spectra and cross-correlation of fluctuating pressures were measured to investigate the nature of the separation and reattachment phenomenon in turbulent flows over a wide range of turbulence intensity and integral scale.
A new algorithm, CBIR (Correlation Based Image Registration) was proposed to improve the resolution of image registration for PSP (Pressure Sensitive Paint). The local displacement vectors were obtained by finding the displacement which maximizes the cross-correlation between two interrogation windows of 'wind-off' and 'wind-on' images. A recursive multigrid processing was employed to increase the non-linear spatial resolutions. The variations of image were precisely measured without identifying the control points.
A new algorithm, CBIR (Correlation-Based Image Registration) was proposed to improve the resolution of image registration for PSP (Pressure-Sensitive Paint). The local displacement vectors were obtained by finding the displacement which maximizes the cross-correlation between two interrogation windows of 'wind-off' and 'wind-on' images. A recursive multigrid processing was employed to increase the non-linear spatial resolutions. The variations of image were precisely measured without identifying the control points.
Numerical investigation has been carried out for laminar flow ($Re{\leq}150$) past a square cylinder in cross freestream with an angle of attack. This study would be the first step towards understanding flow-induced forces on cylindrical structures under a strong gust of wind from the viewpoint of wind hazards. Collecting all the numerical results obtained, we propose contour diagrams of drag/lift coefficients and Strouhal number (St) on an Re-Angle plane.
Padewska-Jurczak, Agnieszka;Szczepaniak, Piotr;Bulinski, Zbigniew
Wind and Structures
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v.30
no.1
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pp.15-27
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2020
This paper reports the study on development and verification of numerical models and analyzes of flow at high speed around structural elements in the shape of a curved pipe (e.g., a fragment of a water slide). Possibility of engineering estimation of wind forces acting on an object in the shape of a helix is presented, using relationships concerning toroidal and cylindrical elements. Determination of useful engineering parameters (such as aerodynamic forces, pressure distribution, and air velocity field) is presented, impossible to obtain from the existing standard EN 1991-1-4 (the so-called wind standard). For this purpose, flow at high speed around a torus and helix, arranged both near planar surface and high above it, was analyzed. Analyzes begin with the flow around a cylinder. This is the simplest object with a circular cross-section and at the same time the most studied in the literature. Based on this model, more complex models are analyzed: first in the shape of half of a torus, next in the shape of a helix.
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.
Lighting poles and antenna masts are typically high, slender and light structures. Moreover, they are often characterized by distributed eccentricities that make very complex their shape. Experience teaches that this structural type frequently suffers severe damage and even collapses due to wind actions. To understand and interpret the aerodynamic and aeroelastic behavior of lighting poles and antenna masts, this paper presents the results of static and aeroelastic wind tunnel tests carried out on a complex prismatic element representing a segment of the shaft of such structures. Static tests are aimed at determining the aerodynamic coefficients and the Strouhal number of the test element cross-section; the former are used to evaluate the critical conditions for galloping occurrence based on quasi-steady theory; the latter provides the critical conditions for vortex-induced vibrations. Aeroelastic tests are aimed at reproducing the real behavior of the test element and at verifying the validity and reliability of quasi-steady theory. The galloping hysteresis phenomenon is identified through aeroelastic experiments conducted on increasing and decreasing the mean wind velocity.
The classical solar wind theory proposed by Parker(1963) explains well the dynamics of the wind pheonomena such as stellar wind and accretion disk. While the stellar wind system like the solar wind has the spherically symmetric wind structure, there are various jet phenomena which collimate the system into the narrow space. We can find these dynamical structures in SS433, in the optical jet of M87, and around the active galactic nulei. We present the dynamical structure of the jet system in disks, which conserves the angular monetum, with the Keplerian rotation and the strong relation between the geometrical cross section and the physical change of the jet stream on the basis of the hydrodynamic equations.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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