To gain insight into the wind-induced safety concerns associated with attached tower cranes during the construction of super-tall buildings, a 606 m level frame-core tube super-tall building is selected to investigate the wind-induced vibration response and fragility of an outer-attached tower crane at all stages of construction. The wind velocity time history samples are artificially generated and used to perform dynamic response analyses of the crane to observe the effects of wind velocity and wind direction under its working and non-working resting state. The adverse effects of the relative displacement response at different connection supports are also identified. The wind-resistant fragility curves of the crane are obtained by introducing the concept of incremental dynamic analysis. The results from the investigation indicate that a large relative displacement between the supports can substantially amplify the response of the crane at high levels. Such an effect becomes more serious when the lifting arm is perpendicular to the plane of the connection supports. The flexibility of super-tall buildings should be considered in the design of outer-attached tower cranes, especially for anchorage systems. Fragility analysis can be used to specify the maximum appropriate height of the tower crane for each performance level.
Higher-mode vertical vortex-induced vibrations (VIV) have been observed on several steel box-girder suspension bridges where different vertical modes are selectively excited in turn with wind velocity in accordance with the Strouhal law. Understanding the relationship of VIV amplitudes for different modes of vibration is very important for wind-resistant design of long-span box-girder suspension bridges. In this study, the basic rectangular cross-section with side ratio of B/D=6 is used to investigate the effect of different modes on VIV amplitudes by section model tests. The section model is flexibly mounted in wind tunnel with a variety of spring constants for simulating different modes of vibration and the non-dimensional vertical amplitudes are determined as a function of reduced velocity U/fD. Two 'lock-in' ranges are observed at the same onset reduced velocities of approximately 4.8 and 9.4 for all cases. The second 'lock-in' range, which is induced by the conventional vortex shedding, consistently gives larger responses than the first one and the Sc-normalized maximum non-dimensional responses are almost the same for different spring constants. The first 'lock-in' range where the vibration frequency is approximately two times the vortex shedding frequency is probably a result of super-harmonic resonance or the "frequency demultiplication". The main conclusion drawn from the section model study, central to the higher-mode VIV of suspension bridges, is that the VIV amplitude for different modes is the same provided that the Sc number for these modes is identical.
Journal of the wind engineering institute of Korea
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v.22
no.4
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pp.171-177
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2018
In order to investigate the cause of damage of the offshore meteorological tower, the measured wind speed data were analyzed, the dynamic displacement due to fluctuating wind load and wave load was calculated, and the fatigue was examined for vortex-induced vibration. It was confirmed from the results that the vibration lasting for four hours occurred in the meteorological tower when the maximum wind speeds for 10 minutes were compared for both the vane anemometer and ultrasonic anemometer. The effect of the gust wind on the dynamic response of the meteorological tower was greater than the wave. However, the combined forces acting on the meteorological tower was much lower than the design force even though the wind and wave loads were simultaneously applied. The vortex-induced vibration seemed to be cause of the fatigue failure in the connecting bolts. The destruction of the offshore meteorological tower was considered to be a vortex-induced vibration, not a fluctuating fluid flows.
The rain-wind induced vibration of stays is a phenomenon discovered recently and not well explained yet. As it is influenced by a wide range of physical parameters (cable size and shape, wind speed, direction and turbulence, rain intensity, material repellency and roughness, cable weight, damping and pre-strain), this peculiar phenomenon is difficult to reproduce in laboratory controlled conditions. A successful wind tunnel experimental campaign, in which some basic physical quantities were measured, allowed an extensive analysis as to identify the parameters of the rain-wind induced excitation. The unsteady pressure field and water thickness around a cable model were measured under rainy-excited conditions. The knowledge of those parameters provided helpful information about the air-flow around the cable and allowed to clarify the physical phenomenon which produces the excitation.
Tall buildings are subjected to wind loading that can cause excessive wind-induced vibration. This vibration can affect the activities of the inhabitants of a building and in some cases fear for safety. Many codes and standards propose the use of curves of perception of acceleration that can be used to verify the serviceability limit state; however, these curves of perception do not take into account the uncertainty in wind-climate, structural properties, perception of motion and maximum response. The main objective of this study is to develop an empirical expression that includes these uncertainties in order to be incorporated into a simple procedure to evaluate the wind-induced acceleration in tall buildings. The use of the proposed procedure is described with a numerical example of a tall building located in Mexico.
Based on the empirical formulas for power spectra of generalized modal forces and local fluctuating wind forces in across-wind and torsional directions, the wind-induced lateral-torsional coupled response analysis of a representative rectangular tall building was conducted by setting various parameters such as eccentricities in centers of mass and/or rigidity and considering different torsional to lateral stiffness ratios. The eccentricity effects on the lateral-torsional coupled responses of the tall building were studied comprehensively by structural dynamic analysis. Extensive computational results indicated that the torsional responses at the geometric center of the building may be significantly affected by the eccentricities in the centers of mass and/or rigidity. Covariance responses were found to be in the same order of magnitude as the along-wind or across-wind responses in many eccentricity cases, suggesting that the lateral-torsional coupled effects on the overall wind-induced responses can not be neglected for such situations. The calculated results also demonstrated that the torsional motion contributed significantly to the total responses of rectangular tall buildings with mass and/or rigidity eccentricities. It was shown through this study that the framework presented in this paper provides a useful tool to evaluate the wind-induced lateral-torsional coupled responses of rectangular buildings, which will enable structural engineers in the preliminary design stages to assess the serviceability of tall buildings, potential structural vibration problems and the need for a detailed wind tunnel test.
The most common used control device on tall buildings and high-rise structures is active and passive tuned mass damper (ATMD and TMD). The major advantages of ATMD and TMD are discussed. The existing installations of various passive/active control devices on real structures are listed. A set of parameter optimization methods is proposed to determine optimal parameters of passive tuned mass dampers under wind excitation. Simplified formulas for determining the optimal parameters are proposed so that the design of a TMD can be carried out easily. Optimal design of wind-induced vibration control of frame structures is investigated. A thirty-story tall building is used as an example to demonstrate the procedure and to verify the efficiency of ATMD and TMD with the optimal parameters.
The inerter-based vibration absorber (IVA) is an enhanced variation of Tuned Mass Damper (TMD). The parametric optimization of absorbers in the previous research mainly considered only two decision variables, namely frequency ratio and damping ratio, and aimed to minimize peak displacement and acceleration individually under the excitation of the across-wind load. This paper extends these efforts by minimizing two conflicting objectives simultaneously, i.e., the extreme displacement and acceleration at the top floor, under the constraint of the physical mass. Six decision variables are optimized by adopting a constrained multi-objective evolutionary algorithm (CMOEA), i.e., NSGA-II, under fluctuating across- and along-wind loads, respectively. After obtaining a set of optimal individuals, a decision-making approach is employed to select one solution which corresponds to a Tuned Mass Damper Inerter/Tuned Inerter Damper (TMDI/TID). The optimization procedure is applied to parametric optimization of TMDI/TID installed in a 340-meter-high building under wind loads. The case study indicates that the optimally-designed TID outperforms TMDI and TMD in terms of wind-induced vibration mitigation under different wind directions, and the better results are obtained by the CMOEA than those optimized by other formulae. The optimal TID is proven to be robust against variations in the mass and damping of the host structure, and mitigation effects on acceleration responses are observed to be better than displacement control under different wind directions.
Proceedings of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering Conference
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2001.05a
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pp.465-472
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2001
This paper describes the characteristics of wind induced noise from high-voltage overhead transmission facilities which include transmission lines. insulator strings. and aviation beacon spheres installed on the overhead ground wires. High-voltage overhead transmission lines generate an audible wind noise due to the alternate shedding of wind-induced vortices. The frequency spectrum from the insulator strings reveals its resonance peak. This resonance sound mechanism has been supposed the self-excitation phenomenon of the resonance and the velocity fluctuation. The booming noises from the aviation beacon spheres are detected and analysed.
Wind-induced vibration is a phenomenon that a struture is oscillated due to wind force such as buffeting, vortex shedding wake and etc., which is one of important characteristics to be considered for design in case that stack has significant slenderness ratio or low natural frequency. International design standards of stack define several criteria for evaluating the suitability of stack design, which describe the required design considerations for each range of design parameters and provide the instruction to verify the stack design against wind-induced vibration simply. However, there is a limitation that they cannot provide quantitative information in case code requirement cannot be satisfied due to constraints of plant space or economical design. In order to overcome the limiation of code, integrated numerical analysis of computational fluid dynamics, harmonic analysis and finite element analysis were proposed to investigate wind-induced vibration for multiple stacks in actual plant. Simulated results of mutual wake interference effect between adjacent stacks were evaluated and compared to the criteria in international standards.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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