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.
The most important element is a rise ratio when regarding beauty and economics of arch bridges. Only the effect of dead load has been considered to decide the rise ratio. In this study, when going over the rise ratio of arch bridges, examined the problems, that the determination of the rise ratio by the dead load has, by adding the factor of a determination of optimum rise ratio, which is not only the effect of the dead load that has been currently considered but also the problem with respect to wind resistant dynamic stability that is now taken seriously. Synthetically, when deciding rise ratio that is investigated in basic step of design, it is not necessary to consider the evaluation wind resistant dynamic stability.
To investigate the nonlinear aerostatic stability of the Hutong cable-stayed rail-cum-road bridge with ultra-kilometer main span, a FEM bridge model is established. The tri-component wind loads and geometric nonlinearity are taken into consideration and discussed for the influence of nonlinear parameters and factors on bridge resistant capacity of aerostatic instability. The results show that the effect of initial wind attack-angle is significant for the aerostatic stability analysis of the bridge. The geometric nonlinearities of the bridge are of considerable importance in the analysis, especially the effect of cable sag. The instable mechanism of the Hutong Bridge with a steel truss girder is the spatial combination of vertical bending and torsion with large lateral bending displacement. The design wind velocity is much lower than the static instability wind velocity, and the structural aerostatic resistance capacity can meet the requirement.
Wind-resistant design of existing cooling tower structures overlooks the impacts of rainfall. However, rainstorm will influence aerodynamic force on the tower surface directly. Under this circumstance, the structural response of the super-large cooling tower (SLCT) will become more complicated, and then the stability and safety of SLCT will receive significant impact. In this paper, surrounding wind fields of the world highest (210 m) cooling tower in Northwest China underthree typical wind velocities were simulated based on the wind-rain two-way coupling algorithm. Next, wind-rain coupling synchronous iteration calculations were conducted under 9 different wind speed-rainfall intensity combinations by adding the discrete phase model (DPM). On this basis, the influencing laws of different wind speed-rainfall intensity combinations on wind-driving rain, adhesive force of rain drops and rain pressure coefficients were discussed. The acting mechanisms of speed line, turbulence energy strength as well as running speed and trajectory of rain drops on structural surface in the wind-rain coupling field were disclosed. Moreover, the fitting formula of wind-rain coupling equivalent pressure coefficient of the cooling tower was proposed. A systematic contrast analysis on its 3D distribution pattern was carried out. Finally, coupling model of SLCT under different working conditions was constructed by combining the finite element method. Structural response, buckling stability and local stability of SLCT under different wind velocities and wind speed-rainfall intensity combinations were compared and analyzed. Major research conclusions can provide references to determine loads of similar SLCT accurately under extremely complicated working conditions.
To gain understanding of the applicability of carbon fiber reinforced polymer (CFRP) cable in cable-supported bridges, based on the Runyang Bridge and Jinsha Bridge, a suspension bridge using CFRP cables and a cable-stayed bridge using CFRP stay cables are schemed, in which the cable's cross-sectional area is determined by the principle of equivalent axial stiffness. Numerical investigations on the dynamic behavior, aerostatic and aerodynamic stability of the two bridges are conducted by 3D nonlinear analysis, and the effect of different cable materials on the wind resistance is discussed. The results show that as CFRP cables are used in cable-supported bridges, (1) structural natural frequencies are all increased, and particularly great increase of the torsional frequency occurs for suspension bridges; (2) under the static wind action, structural deformation is increased, however its aerostatic stability is basically remained the same as that of the case with steel cables; (3) for suspension bridge, its aerodynamic stability is superior to that of the case with steel cables, but for cable-stayed bridge, it is basically the same as that of the case with steel stay cables. Therefore as far as the wind resistance is considered, the use of CFRP cables in cable-supported bridges is feasible, and the cable's cross-sectional area should be determined by the principle of equivalent axial stiffness.
A new method is proposed in this study for estimating the damping ratio of a super tall building under strong wind loads with short-time measured acceleration signals. This method incorporates two main steps. Firstly, the power spectral density of wind-induced acceleration response is obtained by the wavelet transform, then the dynamic characteristics including the natural frequency and damping ratio for the first vibration mode are estimated by a nonlinear regression analysis on the power spectral density. A numerical simulation illustrated that the damping ratios identified by the wavelet spectrum are superior in precision and stability to those values obtained from Welch's periodogram spectrum. To verify the efficiency of the proposed method, wind-induced acceleration responses of the Guangzhou West Tower (GZWT) measured in the field during Typhoon Usagi, which affected this building on September 22, 2013, were used. The damping ratios identified varied from 0.38% to 0.61% in direction 1 and from 0.22% to 0.59% in direction 2. This information is expected to be of considerable interest and practical use for engineers and researchers involved in the wind-resistant design of super-tall buildings.
Wind loading is very important in structural design of large-span single-layer reticulated shell structures. In this paper, a geometrically nonlinear wind-induced vibration analysis strategy for large-span single-layer reticulated shell structures based on the nonlinear finite element method is introduced. According to this strategy, a computation program has been developed. With the information of the wind pressure distribution measured simultaneously in the wind tunnel, nonlinear dynamic analysis, including dynamic instability analysis, for the wind-induced vibration of a single-layer reticulated shell is conducted as an example to investigate the efficiency of the strategy. Finally, suggestions are given for dynamic wind-resistant analysis of single-layer reticulated shells.
To investigate the structural behaviour of grouped tanks under wind loads, 2 problems need to be figured out, wind pressures on tank shells and critical loads of the shell under these pressure distribution patterns. Following the wind tunnel tests described in the companion paper, this paper firstly seeks to obtain wind loads on the external wall in a squarely-arranged cylindrical tank group by numerical simulation, considering various layouts. The outcomes demonstrate that the numerical method can provide similar results on wind pressures and better insights on grouping effects through extracted streamlines. Then, geometrically nonlinear analyses are performed using several selected potentially unfavourable wind pressure distributions. It is found that the critical load is controlled by limit point buckling when the tank is empty while excessive deformations when the tank is full. In particular, significant reductions of wind resistance are found on grouped full tanks compared to the isolated tank, considering both serviceability and ultimate limit state, which should receive special attention if the tank is expected to resist severe wind loads with the increase of liquid level.
컨테이너 크레인의 설계 시 적용되는 하중 조건 중에서 풍하중이 가장 중요하게 고려되어지는바, 본 연구는 75m/s의 풍하중이 컨테이너 크레인에 작용 할 때 컨테이너 크레인의 구조적 안정성에 미치는 영향을 보다 정확하게 예측하기 위하여 유동-구조 연성해석을 실시하였다. 컨테이너 크레인에 작용하는 실제 유동현상을 고려하기 위하여 먼저 전산유동해석을 실시하였으며, 이를 통해서 얻어진 풍하중을 구조해석의 하중조건으로 적용하는 유동-구조 연성해석을 통하여 컨테이너 크레인 각 지지점에서의 반력을 도출하고 그 결과를 분석하였다. 사용된 모델은 주변 환경으로 인하여 컨테이너 크레인의 최대 고도가 제한 될 경우 사용되는 관절형 컨테이너 크레인이며 전산유동해석 및 유동-구조 연성해석 프로그램으로는 ANSYS ICEM CFD 10.0과 ANSYS CFX 10.0을 사용하였다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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