Experiment was performed in a newly developed wind tunnel with light system to determine the aerodynamic resistance and eddy diffusivity above the plug stand under artificial light. Maximum air temperature appeared near the top of the plug stand under artificial light. Since Richardson number was ranged from -0.07 to +0.01, the atmosphere above the plug stand in wind tunnel was in an unstable or near- neutral stability state. The average aerodynamic resistance at rear region of plug stand was 25 % higher than that at middle region. Eddy diffusivity($K_{M}$) linearly increased with the increasing air current speed. $K_{M}$ at air current speed of 0.9 m.$s^{-1}$ was about two times as many as that at air current speed of 0.3 m.$s^{-1}$. And average $K_{M}$ at the rear region was 15% lower than that at the middle region. These results indicated that the diffusion of heat and mass along the direction of air current inside the plug stand was different. It might cause the lack of uniformity in the growth and quality of plug seedlings. The wind tunnel developed in this study would be useful to investigate the effects of air current speed on microclimates and the growth of plug seedlings under artificial light in a semi- closed ecosystem.
This paper presents the wind tunnel test and numerical simulation on umbrella-shaped tensioned membrane structures to investigate the effects of both high wind velocity and various wind direction of typhoon on their aerodynamic behavior. Finite element models are also developed and benchmarked to further investigate the effects on rise-to-span ratio, wind attack angle, and pretension. Results from the experimental tests and finite element analyses show that: (i) the turbulence buffeting in the leeward surface is significant with large displacement responses, especially with the 0° wind direction, large wind attack angle and high rise-to-span ratio; (ii) Non-Gaussian characteristics become remarkable with increasing skewness and kurtosis, which may be contributed by the high-level turbulence intensity in typhoons; and (iii) the effects of rise-to-span ratio, wind attack angle and pretension are proved more significant, which should be considered in the wind-resistance design of membrane structures in typhoons.
Ultrapure ferritic stainless steel provides a new generation of long-span metal roof systems with continuous welding technology, which exhibits many unknown behaviors during wind excitation. This study focuses on the wind-resistant capacity of a new continuous welding stainless steel roof (CWSSR) system. Full-scale testing on the welding joints and the CWSSR system is performed under uniaxial tension and static ultimate wind uplift loadings, respectively. A finite element model is developed with mesh refinement optimization and is further validated with the testing results, which provides a reliable way of investigating the parameter effect on the wind-induced structural responses, namely, the width and thickness of the roof sheeting and welding height. Research results show that the CWSSR system has predominant wind-resistant performance and can bear an ultimate wind uplift loading of 10.4 kPa without observable failures. The welding joints achieve equivalent mechanical behaviors as those of base material is produced with the current of 65 A. Independent structural responses can be found for the roof sheeting of the CWSSR system, and the maximum displacement appears at the middle of the roof sheeting, while the maximum stress appears at the connection supports between the roof sheeting with a significant stress concentration effect. The responses of the CWSSR system are greatly influenced by the width and thickness of the roof sheeting but are less influenced by the welding height.
The expediency of revising universal rules for the combination of gravity and lateral actions of wind force-resisting steel structures recommended by the Standards EN 1990 and ASCE/SEI 7-05 is discussed. Extreme wind forces, gravity actions and their combinations for the limit state design of structures are considered. The effect of statistical uncertainties of extreme wind pressure and steel yield strength on the structural safety of beam-column joints of wind force-resisting multistory steel frames designed by the partial factor design (PFD) and the load and resistance factor design (LRFD) methods is demonstrated. The limit state criterion and the performance process of steel frame joints are presented and considered. Their long-term survival probability analysis is based on the unsophisticated method of transformed conditional probabilities. A numerical example illustrates some discrepancies in international design standards and the necessity to revise the rule of universal combinations of loads in wind and structural engineering.
Due to their high corrosion and chemical resistance, fiber reinforced plastics (FRP) are becoming widely used as the main structural material for industrial chimneys. However, no national code currently exists for the design of such type of chimneys. The purpose of this study is to investigate analytically the response of FRP chimneys to wind loads. The classical lamination theory is used to substitute the angle-ply laminate of a FRP chimney with an equivalent orthotropic material that provides the same stiffness. Dynamic wind loads are applied to the equivalent chimney to evaluate its response to both along and across wind loads. A parametric study is then conducted to identify the material and geometric parameters affecting the response of FRP chimneys to wind loads. Unlike the across-wind response, the along-wind tip deflection is found to be highly dependent on the angle of orientation of the fibers. In general, the analysis shows that FRP chimneys are very vulnerable to across-wind oscillations resulting from the vortex shedding phenomenon.
The equation of Resistance to motion of the Korean high-speed train has been calculated and evaluated using train speed measurements gathered from coasting tests in the speed range from 30km/h to 300km/h and wind tunnel test of 1/25th scale model. The factors of resistance to motion have been decomposed into various coefficients which compose the coefficients of Davis equation referring the general resistance to motion equation of KTX train. The coefficients of Korean high-speed train has been calculated using the measurements of coasting tests and the results of wind tunnel test has been implemented to consider the minor shape modification after the coasting tests.
A large number of low-rise buildings experienced serious roof covering failures under strong wind while few suffered structural damage. Clay and concrete tiles are two main kinds of roof covering. For the tile roof system, few researches were carried out based on Finite Element (FE) analysis due to the difficulty in the simulation of the interface between the tiles and the roof sheathing (the bonding materials, foam or mortar). In this paper, the FE analysis of a single clay or concrete tile with foam-set or mortar-set were built with the interface simulated by the equivalent nonlinear springs based on the mechanical uplift and displacement tests, and they were expanded into the whole roof. A detailed wind tunnel test was carried out at Tongji University to acquire the wind loads on these two kinds of roof tiles, and then the test data were fed into the FE analysis. For the purpose of validation and calibration, the results of FE analysis were compared with the full-scale performance ofthe tile roofs under simulated strong wind impact through one-of-a-kind Wall of Wind (WoW) apparatus at Florida International University. The results are consistent with the WoW test that the roof of concrete tiles with mortar-set provided the highest resistance, and the material defects or improper construction practices are the key factors to induce the roof tiles' failure. Meanwhile, the staggered setting of concrete tiles would help develop an interlocking mechanism between the tiles and increase their resistance.
Mobile sand barriers are a new type sand-retaining structure that can be moved and arranged according to the engineering demands of sand control. When only used for sand trapping, mobile sand barriers could be arranged in single row. For the dual purposes of sand trapping and sand stabilization, four rows of mobile sand barriers can be arranged in a staggered form. To reveal the effect of plane layout, the included angle between sand barrier direction and wind direction on the characteristics of flow fields and the sand control laws of mobile sand barriers, numerical computations and wind tunnel tests were conducted. The results showed that inflows deflected after passing through staggered arrangement sand barriers due to changes in included angle, and the sand barrier combination exerted successive wind resistance and group blocking effects. An analysis of wind resistance efficiency revealed that the effective protection length of staggered arrangement sand barriers approximately ranged from the sand barrier to 10H on the leeward side (H is sand barrier height), and that the effective protection length of single row sand barriers roughly ranged from 1H on the windward side to 20H on the leeward side. The distribution of sand deposit indicated that the sand interception increased with increasing included angle in staggered arrangement. The wind-breaking and sand-trapping effects were optimal when included angle between sand barrier direction and wind direction is 60°-90°.
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.
In order to investigate the influence of different blade positions on aerodynamic load and wind loads and load-effects of large scale wind turbine tower under the halt state, we take a certain 3 MW large scale horizontal axis three-blade wind turbine as the example for analysis. First of all, numerical simulation was conducted for wind turbine flow field and aerodynamic characteristics under different halt states (8 calculating conditions in total) based on LES (large eddy simulation) method. The influence of different halt states on the average and fluctuating wind pressure coefficients of turbine tower surface, total lift force and resistance coefficient, circular flow and wake flow characteristics was compared and analysed. Then on this basis, the time-domain analysis of wind loads and load-effects was performed for the wind turbine tower structure under different halt states by making use of the finite element method. The main conclusions of this paper are as follows: The halt positions of wind blade could have a big impact on tower circular flow and aerodynamic distribution, in which Condition 5 is the most unfavourable while Condition 1 is the most beneficial condition. The wind loads and load-effects of disturbed region of tower is obviously affected by different halt positions of wind blades, especially the large fluctuating displacement mean square deviation at both windward and leeward sides, among which the maximum response occurs in $350^{\circ}$ to the tower top under Condition 8; the maximum bending moment of tower bottom occurs in $330^{\circ}$ under Condition 2. The extreme displacement of blade top all exceeds 2.5 m under Condition 5, and the maximum value of windward displacement response for the tip of Blade 3 under Condition 8 could reach 3.35 m. All these results indicate that the influence of halt positions of different blades should be taken into consideration carefully when making wind-resistance design for large scale wind turbine tower.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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