To investigate the wind load characteristics of a large-span spherical shell structure, a rigid model pressure test was conducted in a wind tunnel laboratory. The study aimed to examine the impact of various external structures and internal stacking forms on the wind loads of a spherical shell structure in a practical engineering project. This project features two adjacent spherical structures, each spanning 130 m and standing 67 m tall. These two structures are connected by trestles and a transfer station. Variations in the shape factor and the integral force coefficient of the structure were compared and analyzed under different test cases. The results indicate that when two structures are arranged in series, with the adjacent structure positioned upstream, the shape factor of the structure is most affected, resulting in a significant reduction effect at the bottom of the windward surface. Compared to the external structure, the impact of various internal stacking forms on the shape factor of the structure is relatively weak. The adjacent structure significantly improves the wind resistance of the main structure. The integral force coefficient of the structure reaches its peak when internal stacking is full and is at its lowest when there is no internal stacking.
The longitudinal force resulting from tornado loads on transmission line is considered a crucial factor contributing to the failure of transmission line structures during tornado events. Accurate estimation of this longitudinal force poses a challenge for structural designers. Therefore, the objective of this paper is to provide a set of charts that can be easily used to estimate the peak longitudinal forces transferred from the conductors to a tower. The critical wind field and corresponding configuration considered in this paper are previously studied and determined. The charts should account for all the conductor parameters that can affect the value of the longitudinal force. In order to achieve that, a parametric study is first conducted to assess the variation of the longitudinal forces with different conductor parameters, based on the critical tornado configuration. Results of this parametric study are used to develop the charts that can be used to calculate longitudinal forces by adopting a multi-variable line regression. The forces calculated from charts are validated by finite element analysis. An example for the usage of the charts is provided at the end of this paper.
Zengshun Chen;Jie Bai;Yemeng Xu;Sijia Li;Jianmin Hua;Cruz Y. Li;Xuanyi Xue
Wind and Structures
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v.37
no.5
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pp.331-346
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2023
This work investigates the effects of transverse inclination on an aeroelastic prism through forced-vibration wind tunnel experiments. The aerodynamic characteristics are tri-parametrically evaluated under different wind speeds, inclination angles, and oscillation amplitudes. Results show that transverse inclination fundamentally changes the wake phenomenology by impinging the fix-end horseshoe vortex and breaking the separation symmetry. The aftermath is a bi-polar, one-and-for-all change in the aerodynamics near the prism base. The suppression of the horseshoe vortex unleashes the Kármán vortex, which significantly increases the unsteady crosswind force. After the initial morphology switch, the aerodynamics become independent of inclination angle and oscillation amplitude and depend solely on wind speed. The structure's upper portion does not feel the effect, so this phenomenon is called Base Intensification. The phenomenon only projects notable impacts on the low-speed and VIV regime and is indifferent in the high-speed. In practice, Base Intensification will disrupt the pedestrian-level wind environment from the unleashed Bérnard-Kármán vortex shedding. Moreover, it increases the aerodynamic load at a structure base by as much as 4.3 times. Since fix-end stiffness prevents elastic dissipation, the load translates to massive stress, making detection trickier and failures, if they are to occur, extreme, and without any warnings.
In recent trends of the enlargement and specialization, container ship, LNCG, PCC and passenger ship which have relatively large hull and superstructure above the water line, are already being operated in the world It is very important information for the safety operation of these vessels to estimate the ship's performance under the specific wind condition while berthing, unberthing or low-speed sailing. In this paper, the effect of wind force and moment acting on the training ship HANNARA is investigated by using the numerical calculations. The results of drift angle and counter rudder angle with the relative wind direction and force, the critical wind velocity with the ratio of wind velocity and ship's speed and maximum heeling angle with the wind velocity are shown The presented results can be applied directly to T/S HANNARA in berthing maneuver and avoiding typhoons, and utilized as an educational materials.
Due to shortage of land and architectural aesthetics, sometimes the buildings are constructed as unconventional in plan. The wind force acts differently according to the plan shape of the building. So, it is of utter importance to study wind force or, more specifically wind pressure on an unconventional plan shaped tall building. To address this issue, this paper demonstrates a comprehensive study on mean pressure coefficient of 'E' plan shaped tall building. This study has been carried out experimentally and numerically by wind tunnel test and computational fluid dynamics (CFD) simulation respectively. Mean wind pressures on all the faces of the building are predicted using wind tunnel test and CFD simulation varying wind incidence angles from $0^{\circ}$ to $180^{\circ}$ at an interval of $30^{\circ}$. The accuracy of the numerically predicted results are measured by comparing results predicted by CFD with experimental results and it seems to have a good agreement with wind tunnel results. Besides wind pressures, wind flow patterns are also obtained by CFD for all the wind incidence angles. These flow patterns predict the behavior of pressure variation on the different faces of the building. For better comparison of the results, pressure contours on all the faces are also predicted by both the methods. Finally, polynomial expressions as the sine and cosine function of wind angle are proposed for obtaining mean wind pressure coefficient on all the faces using Fourier series expansion. The accuracy of the fitted expansions are measured by sum square error, $R^2$ value and root mean square error.
In this paper, the fluctuating lift and drag forces on 5:1 rectangular cylinders with two different geometric scales in three turbulent flow-fields are investigated. The study is particularly focused on understanding the influence of the ratio of turbulence integral length scale to structure characteristic dimension (the length scale ratio). The results show that both fluctuating lift and drag forces are influenced by the length scale ratio. For the model with the larger length scale ratio, the corresponding fluctuating force coefficient is larger, while the spanwise correlation is weaker. However, the degree of influence of the length scale ratio on the two fluctuating forces are different. Compared to the fluctuating drag, the fluctuating lift is more sensitive to the variation of the length scale ratio. It is also found through spectral analysis that for the fluctuating lift, the change of length scale ratio mainly leads to the variation in the low frequency part of the loading, while the fluctuating drag generally follows the quasi-steady theory in the low frequency, and the slope of the drag spectrum at high frequencies changes with the length scale ratio. Then based on the experimental data, two empirical formulas considering the influence of length scale ratio are proposed for determining the lift and drag aerodynamic admittances of a 5:1 rectangular cylinder. Furthermore, a simple relationship is established to correlate the turbulence parameter with the fluctuating force coefficient, which could be used to predict the fluctuating force on a 5:1 rectangular cylinder under different parameter conditions.
This paper develops and discusses a method by which it is possible to evaluate the Equivalent Static Force (ESF) of wind in the case of long-span bridges. Attention is focused on the alongwind direction. The study herein carried out deals with the classical problems of determining the maximum effects due to the alongwind action and the corresponding ESFs. The mean value of the maximum alongwind displacement of the deck is firstly obtained both by the spectral analysis and the Gust Response Factor (GRF) technique. Successively, in order to derive the other wind-induced effects acting on the deck, the Gust Effect Factor (GEF) technique is extended to long-span bridges. By adopting the GRF technique, it is possible to define the ESF that applied on the structure produces the maximum alongwind displacement. Nevertheless the application of the ESF so obtained does not furnish the correct maximum values of other wind-induced effects acting on the deck such as bending moments or shears. Based on this observation, a new technique is proposed which allows to define an ESF able to simultaneously reproduce the maximum alongwind effects of the bridge deck. The proposed technique is based on the GEF and the POD techniques and represents a valid instrument of research for the understanding of the wind excitation mechanism.
The current work numerically investigates the transient force and dynamic response of an overhead transmission tower-line structure caused by the passage of a high-speed train (HST). Taking the CRH2C HST and an overhead transmission tower-line structure as the research objects, both an HST-transmission line fluid numerical model and a transmission tower-line structure finite element model are established and validated through comparison with experimental and theoretical data. The transient force and typical dynamic response of the overhead transmission tower-line structure due to HST-induced wind are analyzed. The results show that when the train passes through the overhead transmission tower-line structure, the extreme force on the transmission line is related to the train speed with a significant quadratic function relationship. Once the relative distance from the track is more than 15 m, the train-induced force is small enough to be ignored. The extreme value of the mid-span dynamic response of the transmission line is related to the train speed and span length with a significant linear functional relationship.
The present study is performed to find the effect of corner recession on a square plan-shaped tall building. A series of numerical simulations have been carried out to find the two orthogonal wind force coefficients on various model configurations using Computational Fluid Dynamics (CFD). Numerical analyses are performed by using ANSYS-CFX (k-ℇ turbulence model) considering the length scale of 1:300. The study is performed for 0° to 360° wind angle of attack. The CFD data thus generated is utilised to fit parametric equations to predict alongwind and crosswind force coefficients, Cfx and Cfy. The precision of the parametric equations is validated by employing a wind tunnel study for the 40% corner recession model, and an excellent match is observed. Upon satisfactory validation, the parametric equations are further used to carry out multiobjective optimization considering two orthogonal force coefficients. Pareto optimal design results are presented to propose suitable percentages of corner recession for the study building. The optimization is based on reducing the alongwind and crosswind forces simultaneously to enhance the aerodynamic performance of the building.
In this study, The POD technique was applied to the fluctuating wind pressure of high aspect ratio circular cylinder to consider about its organizational structure, and considered about the characteristics of the fluctuating wind force obtained by synthesized the POD modes.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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