Journal of the Architectural Institute of Korea Structure & Construction
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v.35
no.7
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pp.157-164
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2019
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.
Journal of Korean Association for Spatial Structures
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v.21
no.1
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pp.51-59
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2021
In this paper, the effect of the turbulence intensity in across-wind direction on the wind load in CFD(Computational fluid dynamics) simulation was analyzed. 'Ansys fluent' software was used for CFD simulation. And the fluctuating wind speed applied to the simulation was generated according to Korean Design Standard and Von Karman wind turbulence model. The turbulence intensity in across-wind direction for simulation was applied from 0 to 100% of the turbulence intensity in along-wind direction. The analysis results showed that the turbulence intensity in across-wind direction had a particularly great effect on the wind load in across-wind direction.
Journal of Korean Society of Disaster and Security
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v.6
no.2
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pp.49-56
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2013
In this paper, used by the boundary layer wind tunnel test, have conducted a series of wind tunnel experiments, i.e. test the mean velocity profile regarding the surface roughness, turbulence intensity and power spectrum measured by augmentation device. After that, to provide data relevant for the preliminary design step of tall building hazard fluctuating wind loads may be obtained fluctuating pressure coefficients, fluctuating pressure spectrum, autocorrelation coefficients by the boundary layer wind tunnel test. From the results of experiments, this study can be obtained conclusions as follows. 1. We know the fact that the mean velocity profile and the turbulence intensity are well fitted natural wind flow in the boundary layer wind tunnel. 2. The satisfactory agreement of velocity spectrum can be obtained from the compare of fluctuating power spectrum and Von Karman spectrum. 3. We know the fact that the fluctuating pressure spectrums distributed peak at 0.01 Hz-0.1 Hz in the windward surfaces and at 0.1 Hz in the leeward surfaces. 4. We know the fact that the autocorrelation coefficients distributed stationary random processes with application time of hazard fluctuating wind loads.
A Combination Random Flow Generation (CRFG) technique for obtaining the fluctuating inflow boundary conditions for Large Eddy Simulation (LES) is proposed. The CRFG technique was developed by combining the typical RFG technique with a novel calculation of k and ${\varepsilon}$ to estimate the length- and time-scales (l, ${\tau}$) of the target fluctuating turbulence field used as the inflow boundary conditions. Through comparatively analyzing the CRFG technique and other existing numerical/experimental results, the CRFG technique was verified for the generation of turbulent wind velocity fields with prescribed turbulent statistics. Using the turbulent velocity fluctuations generated by the CRFG technique, a series of LESs were conducted to investigate the wind flow around S-, R-, L- and U-shaped building models. As the pressures of the models were also measured in wind tunnel tests, the validity of the LES, and the effectiveness of the inflow boundary generated by the CRFG techniques were evaluated through comparing the simulation results to the wind tunnel measurements. The comparison showed that the LES accurately and reliably simulates the wind-induced pressure distributions on the building surfaces, which indirectly validates the CRFG technique in generating realistic fluctuating wind velocities for use in the LES. In addition to the pressure distribution, the LES results were investigated in terms of wind velocity profiles around the building models to reveal the wind flow dynamics around bluff bodies. The LES results quantitatively showed the decay of the bluff body influence when the flow moves away from the building model.
He, Yinghou;Li, Qiusheng;Chan, Pakwai;Zhang, Li;Yang, Honglong;Li, Lei
Wind and Structures
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v.30
no.6
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pp.575-595
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2020
The characteristics of winds associated with tropical cyclones are of great significance in many engineering fields. This paper presents an investigation of wind characteristics over a coastal urban terrain based on field measurements collected from multiple cup anemometers and ultrasonic anemometers equipped at 13 height levels on a 356-m-high meteorological tower in Shenzhen during severe Typhoon Hato. Several wind quantities, including wind spectrum, gust factor, turbulence intensity and length scale as well as wind profile, are presented and discussed. Specifically, the probability distributions of fluctuating wind speeds are analyzed in connection with the normal distribution and the generalized extreme value distribution. The von Karman spectral model is found to be suitable to depict the energy distributions of three-dimensionally fluctuating winds. Gust factors, turbulence intensity and length scale are determined and discussed. Moreover, this paper presents the wind profiles measured during the typhoon, and a comparative study of the vertical distribution of wind speeds from the field measurements and existing empirical models is performed. The influences of the topography features and wind speeds on the wind profiles were investigated based on the field-measured wind records. In general, the empirical models can provide reasonable predictions for the measured wind speed profiles over a typical coastal urban area during a severe typhoon.
Codes for structural design usually assume that the incident mean wind velocity is parallel to the ground, which constitutes a valid simplification for frequent winds caused by sypnoptic events. Wind effects due to other phenomena, such as thunderstorm downbursts, are simply neglected. In this paper, results of recent and ongoing research on this topic in Brazil are presented. The model of the three-dimensional wind velocity field originated from a downburst in a thunderstorm (TS), proposed by Ponte and Riera for engineering applications, is first described. This model allows the generation of a spatially and temporally variable velocity field, which also includes a fluctuating component of the velocity. All parameters are related to meteorological variables, which are susceptible of statistical assessment. An application of the model in the simulation of the wind climate in a region sujected to both EPS and TS winds is discussed next. It is shown that, once the relevant meteorological variables are known, the simulation of the wind excitation for purposes of design of transmission lines, long-span crossings and similar structures is feasible. Complementing the theoretical studies, wind velocity records during a recent TS event in southern Brazil are presented and preliminary conclusions on the validity of the proposed models discussed.
Tornadoes are the most devastating meteorological natural hazards. Many empirical and theoretical numerical models of tornado vortex have been proposed, because it is difficult to carry out direct measurements of tornado velocity components. However, most of existing numerical models fail to explain the physical structure of tornado vortices. The present paper proposes a new empirical numerical model for a tornado vortex, and its load effects on a low-rise and a tall building are calculated and compared with those for existing numerical models. The velocity components of the proposed model show clear variations with radius and height, showing good agreement with the results of field measurements, wind tunnel experiments and computational fluid dynamics. Normal stresses in the columns of a low-rise building obtained from the proposed model show intermediate values when compared with those obtained from existing numerical models. Local forces on a tall building show clear variation with height and the largest local forces show similar values to most existing numerical models. Local forces increase with increasing turbulence intensity and are found to depend mainly on reference velocity Uref and moving velocity Umov. However, they collapse to one curve for the same normalized velocity Uref / Umov. The effects of reference radius and reference height are found to be small. Resultant fluctuating force of generalized forces obtained from the modified Rankine model is considered to be larger than those obtained from the proposed model. Fluctuating force increases as the integral length scale increases for the modified Rankine model, while they remain almost constant regardless of the integral length scale for the proposed model.
Yongli Zhong;Yichen Liu;Hua Zhang;Zhitao Yan;Xinpeng Liu;Jun Luo;Kaihong Bai;Feng Li
Wind and Structures
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v.38
no.2
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pp.129-146
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2024
Aiming at the problem of non-stationary wind field simulation of downbursts, a non-stationary down-burst generation system was designed by adding a nozzle and program control valve to the inlet of the original wall jet model. The computational fluid dynamics (CFD) method was used to simulate the downburst. Firstly, the two-dimensional (2D) model was used to study the outflow situation, and the database of working conditions was formed. Then the combined superposition of working conditions was carried out to simulate the full-scale measured downburst. The three-dimensional (3D) large eddy simulation (LES) was used for further verification based on this superposition condition. Finally, the wind tunnel test is used to further verify. The results show that after the valve is opened, the wind ve-locity at low altitude increases rapidly, then stays stable, and the wind velocity at each point fluctuates. The velocity of the 2D model matches the wind velocity trend of the measured downburst well. The 3D model matches the measured downburst flow in terms of wind velocity and pulsation characteris-tics. The time-varying mean wind velocity of the wind tunnel test is in better agreement with the meas-ured time-varying mean wind velocity of the downburst. The power spectrum of fluctuating wind ve-locity at different vertical heights for the test condition also agrees well with the von Karman spectrum, and conforms to the "-5/3" law. The vertical profile of the maximum time-varying average wind veloci-ty obtained from the test shows the basic characteristics of the typical wind profile of the downburst. The effectiveness of the downburst generation system is verified.
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.
Wind action is a factor of fundamental importance in the structural design of light or slender constructions. Codes for structural design usually assume that the incident mean wind velocity is parallel to the ground, which constitutes a valid simplification for frequent winds caused by meteorological phenomena such as Extratropical Storms (EPS) or Tropical Storms. Wind effects due to other phenomena, such as thunderstorms, and its combination with EPS winds in so-called squall lines, are simply neglected. In this paper a model that describes the three-dimensional wind velocity field originated from a downburst in a thunderstorm (TS) is proposed. The model is based on a semi empirical representation of an axially-symmetrical flow line pattern that describes a stationary field, modulated by a function that accounts for the evolution of the wind velocity with time. The model allows the generation of a spatially and temporally variable velocity field, which also includes a fluctuating component of the velocity. All parameters employed in the model are related to meteorological variables, which are susceptible of statistical assessment. A background wind is also considered, in order to account for the translational velocity of the thunderstorm, normally due to local wind conditions. When the translation of the TS is caused by an EPS, a squall line is produced, causing the highest wind velocities associated with TS events. The resulting vertical velocity profiles were also studied and compared with existing models, such as the profiles proposed by Vicroy, et al. (1992) and Wood and Kwok (1998). The present model predicts horizontal velocity profiles that depend on the distance to the storm center, effect not considered by previous models, although the various proposals are globally compatible. The model can be applied in any region of interest, once the relevant meteorological variables are known, to simulate the excitation due to TS winds in the design of transmission lines, long-span crossings, cable-stayed bridges, towers or similar structures.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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