Modern super-tall buildings are more sensitive to strong winds. The evaluation of wind loads for the design of these buildings is of primary importance. A direct monitoring of wind forces acting on super-tall structures is quite difficult to be realized. Indirect measurements interpreted by inverse techniques are therefore favourable since dynamic response measurements are easier to be carried out. To this end, a Kalman filtering based inverse approach is developed in this study so as to estimate the wind loads on super-tall buildings based on limited structural responses. The optimum solution of Kalman filter gain by solving the Riccati equation is used to update the identification accuracy of external loads. The feasibility of the developed estimation method is investigated through the wind tunnel test of a typical super-tall building by using a Synchronous Multi-Pressure Scanning System. The effects of crucial factors such as the type of wind-induced response, the covariance matrix of noise, errors of structural modal parameters and levels of noise involved in the measurements on the wind load estimations are examined through detailed parametric study. The effects of the number of vibration modes on the identification quality are studied and discussed in detail. The made observations indicate that the proposed inverse approach is an effective tool for predicting the wind loads on super-tall buildings.
Wind loading is one of important loadings that should be considered in the design of large hyperbolic natural-draught cooling towers. Both external and internal surfaces of cooling tower are under the action of wind loading for cooling circulating water. In the previous studies, the wind loads on the external surface attracted concernedly attention, while the study on the internal surface was relatively ware. In the present study, the wind pressure on the internal surface of a 220 m high cooling tower is measured through wind tunnel testing, and the effect of ventilation rate of the packing layer on internal pressure is a major concern. The characteristics of internal wind pressure distribution and its effect on wind-induced responses calculated by finite element method are investigated. The results indicate that the wind loading on internal surface of the cooling tower behaves remarkable three-dimensional effect, and the pressure coefficient varies along both of height and circumferential directions. The non-uniformity is particularly strong during the construction stage. Analysis results of the effect of internal pressure on wind-induced responses show that the size and distribution characteristics of internal pressure will have some influence on wind-induced response, however, the outer pressure plays a dominant role in the wind-induced response of cooling tower, and the contribution of internal pressure to the response is small.
Teng Y. Xue;Hong B. Liu;Ting Zhou;Xin C. Chen;Xiang Zhang;Zhi P. Zou
Wind and Structures
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제37권3호
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pp.245-254
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2023
In this paper, the wind-induced response of Jiayuguan wooden building (world cultural heritage) in Northwest China was studied. ANSYS finite element software was used to establish four kinds of building models under different working conditions and carry out modal analysis. The simulation results were compared with the field dynamic test results, obtaining the model which reflects the real vibration characteristics of the wooden tower. Time history data of fluctuating wind speed was obtained by MATLAB programming. Time domain method and ANSYS were used to analyze the wind-induced vibration response time history of Jiayuguan wooden building, obtaining the displacement time history curve of the structure. It was suggested that the wind-induced vibration coefficient of Jiayuguan wooden building is 1.76. Through analysis of the performance of the building under equivalent static wind load, the maximum displacement occurs in the three-story wall, gold column and the whole roof area, and the maximum displacement of the building is 5.39 cm. The ratio of the maximum stress value to the allowable value of wood tensile strength is 45 %. The research results can provide reference for the wind resistant design and protection of ancient buildings with similar structure to Jiayuguan wooden tower.
This study focused on the non-synoptic, tornado-like wind-induced effects on flexible horizontal structures that are extremely sensitive to winds. More specifically, the nonuniform, intensive vertical wind-velocity and transient natures of tornado events and their effects on the global behavior of a long-span bridge were investigated. In addition to the static part in the modeling of tornado-like wind-induced loads, the motion-induced effects were modeled using the semi-empirical model with a two-dimensional (2-D) indicial response function. Both nonlinear wind-induced static analysis and linear aeroelastic analysis in the time domain were conducted based on a 3-D finite-element model to investigate the bridge performance under the most unfavorable tornado pattern considering wind-structure interactions. The results from the present study highlighted the important effects due to abovementioned tornado natures (i.e., nonuniform, intensive vertical wind-velocity and transient features) on the long-span bridge, and hence may facilitate more appropriate wind design of flexible horizontal structures in the tornado-prone areas.
Kim, Dong-Hyawn;Lee, Gee-Nam;Lee, Yongjei;Lee, Il-Keun
Wind and Structures
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제21권6호
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pp.609-623
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2015
Seismic reliability analysis of a jacket-type support structure for an offshore wind turbine was performed. When defining the limit state function by using the dynamic response of the support structure, a number of dynamic calculations must be performed in a First-Order Reliability Method (FORM). That means analysis costs become too high. In this paper, a new reliability analysis approach using a static response is used. The dynamic effect of the response is considered by introducing a new parameter called the Peak Response Factor (PRF). The probability distribution of PRF can be estimated by using the peak value in the dynamic response. The probability distribution of the PRF was obtained by analyzing dynamic responses during a set of ground motions. A numerical example is presented to compare the proposed approach with the conventional static response-based approach.
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.
In this paper, excitation systems using linear mass shaker (LMS) are presented in order to simulate the wind induced responses of a building structure. The actuator force for the excitation systems is calculated by using the inverse transfer function of a target structural response to the actuator. Filter and envelop function are used such that the error between the wind and actuator induced responses is minimized by preventing the actuator from exciting unexpected modal response and initial transient response. The analyses results from a 76-story benchmark building problem in which wind load obtained by wind tunnel test is given, indicate that the excitation system installed at a specific floor can approximately embody the structural responses induced by the wind load applied to each floor of the structure. The excitation system designed by the proposed method can be effectively used for evaluating the wind response characteristics of a practical building structure and for obtaining an accurate analytical model of the building under wind load.
Field measurements of the wind-induced response of two residential reinforced concrete buildings, among the tallest in the world, have been performed during two typhoons. Natural periods and damping values have been determined and compared with other field measurements and empirical predictors. Suitable and common empirical predictors of natural period and structural damping have been obtained that describe the trend of tall, reinforced concrete buildings whose structural vibrations have been measured in the collection of studies in Hong Kong compiled by the authors. This data is especially important as the amount of information known about the dynamic parameters of buildings of these heights is limited. Effects of the variation of the natural period and damping values on the alongwind response of a tall building for serviceability-level wind conditions have been profiled using the gust response factor approach. When using this approach on these two buildings, the often overestimated natural periods and structural damping values suggested by empirical predictors tended to offset each other. Gust response factors calculated using the natural periods and structural damping values measured in the field were smaller than if calculated using design-stage values.
This study presents a comprehensive investigation of the aerostatic and buffeting response characteristics of a suspension bridge catwalk. The three-dimensional aerostatic response analysis was carried out taking into account the geometric nonlinearity and nonlinear dependence of wind loads on the angle of attack. The buffeting response analysis was performed in the time domain. The aerostatic and buffeting responses of the catwalk show strong coupling of vertical and lateral vibrations. The lateral displacement is the main component of the wind-induced static and buffeting response of the catwalk.
The static and dynamic structural integrity qualification was performed through the seismic analysis of a small-size Savonius-type vertical wind turbine at dead weight plus wind load and seismic loads. The ANSYS finite element program was used to develop the FEM model of the wind turbine and to accomplish static, modal, and dynamic frequency response analyses. The stress of the wind turbine structure for each wind load and dead weight was calculated and combined by taking the square root of the sum of the squares (SRSS) to obtain static stresses. Seismic response spectrum analysis was also carried out in the horizontal (X and Y) and vertical (Z) directions to determine the response stress distribution for the required response spectrum (RRS) at safe-shutdown earthquake with a 5% damping (SSE-5%) condition. The stress resulting from the seismic analysis in each of the three directions was combined with the SRSS to yield dynamic stresses. These static and dynamic stresses were summed by using the same SRSS. Finally, this total stress was compared with the allowable stress design, which was calculated based on the requirements of the KBC 2009, KS C IEC 61400-1, and KS C IEC 61400-2 codes.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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