Wind loading is very important, even dominant in some cases, to large-span single-layer reticulated shells. At present, usually equivalent static methods based on quasi-steady assumption, as the same as the wind-resistant design of low-rise buildings, are used in the structural design. However, it is not easy to estimate a suitable equivalent static wind load so that the effects of fluctuating component of wind on the structural behaviors, especially on structural stability, can be well considered. In this paper, the effects of fluctuating component of wind load on the stability of a single-layer reticulated spherical shell model are investigated based on wind pressure distribution measured simultaneously in the wind tunnel. Several methods used to estimate the equivalent static wind load distribution for equivalent static wind-resistant design are reviewed. A new simple method from the stability point of view is presented to estimate the most unfavorable wind load distribution considering the effects of fluctuating component on the stability of shells. Finally, with comparisive analyses using different methods, the efficiency of the presented method for wind-resistant analysis of single-layer reticulated shells is established.
본 논문은 풍동실험과 정적하중 실험을 실시하여 강풍 설계시 대공간 구조물의 막구조 동적응답을 확인하여 거스트 계수(gust factor)를 산출해 보고자한다. 이를 위해 섬유재료의 변형률에 따라 하중을 구할 수 있는 막재료 성능실험과 4가지(saddle형, wave형, arch형, point형) 막구조 모형에 따른 횡방향 동적하중과 동적변형응답을 측정할 수 있는 풍동실험, 동적변형응답에 따라 정적하중을 구할 수 있는 정적하중실험을 실시함으로써 거스트 계수(gust factor)를 산출하였다.
The main purpose of this paper is to demonstrate the necessity of considering wind load combinations even for low-rise buildings. It first discusses the overall quasi-static wind load effects and their combinations to be considered in structural design of low-rise buildings. It was found that the maximum torsional moment closely correlates with the maximum along-wind base shear. It was also found that the instantaneous pressure distribution causing the maximum along-wind base shear was quite similar to that causing the maximum torsional moment, and that this asymmetric pressure pattern simultaneously accompanies considerable across-wind and torsional components. Secondly, the actual wind pressure distributions causing maximum quasi-static internal forces in the structural frames are conditionally sampled and their typical pressure patterns are presented.
Using synchronous surface pressures from the wind tunnel test, the three dimensional wind load models of high-rise buildings are established. Furthermore, the internal force responses of symmetric high-rise buildings in along-wind, across-wind and torsional directions are evaluated based on mode acceleration method, which expresses the restoring force as the summation of quasi-static force and inertia force components. Accordingly the calculation methods of equivalent static wind loads, in which the contributions of the higher modes can be considered, of symmetric high-rise buildings in along-wind, across-wind and torsional directions are deduced based on internal forces equivalence. Finally the equivalent static wind loads of an actual symmetric high-rise building are obtained by this method, and compared with the along-wind equivalent static wind loads obtained by China National Standard.
Due to the significant aerodynamic interference from sub-towers and surrounding tall buildings, the wind loads and dynamic responses on main tower of three-tower connected tall building typically change especially compared with those on the isolated single tall building. This paper addresses the wind load effects and equivalent static wind loads (ESWLs) of three-tower connected tall building based on measured synchronous surface pressures in a wind tunnel. The variations of the global shape coefficients and extremum wind loads of main tower structure with or without interference effect under different wind directions are studied, pointing out the deficiency of the traditional wind loads based on the load codes for the three-tower connected tall building. The ESWLs calculation method based on elastic restoring forces is proposed, which completely contains the quasi-static item, inertia item and the coupled effect between them. Then the wind-induced displacement and acceleration responses for main tower of three-tower connected tall building in the horizontal and torsional directions are investigated, subsequently the structural basal and floor ESWLs under different return periods, wind directions and damping ratios are studied. Finally, the action mechanism of interference effect on structural wind effects is investigated. Main conclusions can provide a sientific basis for the wind-resistant design of such three-tower connected tall building.
This study presents a dynamic response analysis of operational and parked wind turbines in order to gain better understanding of the roles of wind loads on turbine blades and tower in the generation of turbine response. The results show that the wind load on the tower has a negligible effect on the blade responses of both operational and parked turbines. Its effect on the tower response is also negligible for operational turbine, but is significant for parked turbine. The tower extreme responses due to the wind loads on blades and tower of parked turbine can be estimated separately and then combined for the estimation of total tower extreme response. In current wind turbine design practice, the tower extreme response due to the wind loads on blades is often represented as a static response under an equivalent static load in terms of a concentrated force and a moment at the tower top. This study presents an improved equivalent static load model with additional distributed inertial force on tower, and introduces the square-root-of-sum-square combination rule, which is shown to provide a better prediction of tower extreme response.
Wind tunnel model studies were carried out to determine the wind load distribution on tributary areas near the gable-end of large, low-rise buildings with high pitch planar and curved roof shapes. Background pressure fluctuations on each tributary area are described by a series of uncorrelated modes given by the eigenvectors of the force covariance matrix. Analysis of eigenvalues shows that the dominant first mode contributes around 40% to the fluctuating pressures, and the eigenvector mode-shape generally follows the mean pressure distribution. The first mode contributes significantly to the fluctuating load effect, when its influence line is similar to the mode-shape. For such cases, the effective static pressure distribution closely follows the mean pressure distribution on the tributary area, and the quasi-static method would provide a good estimate of peak load effects.
This paper discuss the conditionally sampled actual wind pressure distributions causing peak quasi-static wind loads in the large span roofs using the wind pressures at many locations on dome models measured simultaneously in a wind tunnel. The actual extreme pressure distributions are compared itk load-response-correlation (LRC) method and the quasi-steady pressure distributions. Based on the results, the reason for the discrepancy in the LRC pressure distribution and the actual extreme pressure distribution are discussed. Futhermore, a brief discussion is made of the equivalent static wind load estimation for the large span roofs.
Wind field in mountainous regions demonstrates unique distribution characteristic as compared with the wind field of the flat area, wind load and wind effect are the key considerations in structural design of television towers situated in mountainous regions. The television tower to be constructed is located at the top of Xiushan Mountain in Nanjing, China. In order to investigate the impact of terrain factors of hilltops on wind loads, firstly a wind tunnel test was performed for the mountainous area within 800m from the television tower. Then the tower basal forces such as bending moments and shear strength were obtained based on high frequency force balance (HFFB) test. Based on the experiments, the improved method for determining the load combinations was applied to extract the response distribution patterns of foundation internal force and peak acceleration of the tower top, then the equivalent static wind loads were computed under different wind angles, load conditions and equivalent goals. The impact of terrain factors, damping ratio and equivalent goals on the wind load distribution of a television tower was discussed. Finally the equivalent static wind loads of the television tower under the 5 most adverse wind angles and 5 most adverse load conditions were computed. The experimental method, computations and research findings provide important references for the anti-wind design of high-rise structure built on hilltops.
Wind-induced response behavior of long-span roof structures is very complicated, showing significant contributions of multiple vibration modes. The largest load effects in a huge number of members should be considered for the sake of the equivalent static wind loads (ESWLs). Studies on essential matters and necessary conditions of the universal ESWLs are discussed. An efficient method for universal ESWLs on long-span roof structures is proposed. The generalized resuming forces including both the external wind loads and inertial forces are defined. Then, the universal ESWLs are given by a combination of eigenmodes calculated by proper orthogonal decomposition (POD) analysis. Firstly, the least squares method is applied to a matrix of eigenmodes by using the influence function. Then, the universal ESWLs distribution is obtained which reproduces the largest load effects simultaneously. Secondly, by choosing the eigenmodes of generalized resuming forces as the basic loading distribution vectors, this method becomes efficient. Meanwhile, by using the constraint equations, the universal ESWLs becomes reasonable. Finally, reproduced largest load effects by load-response-correlation (LRC) ESWLs and universal ESWLs are compared with the actual largest load effects obtained by the time domain response analysis for a long-span roof structure. The results demonstrate the feasibility and usefulness of the proposed universal ESWLs method.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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