To investigate the non-Gaussian feature of fluctuating wind pressures on rectangular high-rise buildings, wind tunnel tests were conducted on scale models with side ratios ranging from 1/9~9 in an open exposure for various wind directions. The high-order statistical moments, time histories, probability density distributions, and peak factors of pressure fluctuations are analyzed. The mixed normal-Weibull distribution, Gumbel-Weibull distribution, and lognormal-Weibull distribution are adopted to fit the probability density distribution of different non-Gaussian wind pressures. Zones of Gaussian and non-Gaussian are classified for rectangular buildings with various side ratios. The results indicate that on the side wall, the non-Gaussian wind pressures are related to the distance from the leading edge. Apart from the non-Gaussianity in the separated flow regions noted by some literature, wind pressures behind the area where reattachment happens present non-Gaussian nature as well. There is a new probability density distribution type of non-Gaussian wind pressure which has both long positive and negative tail found behind the reattachment regions. The correlation coefficient of wind pressures is proved to reflect the non-Gaussianity and a new method to estimate the mean reattachment length of rectangular high-rise building side wall is proposed by evaluating the correlation coefficient. For rectangular high-rise buildings, the mean reattachment length calculated by the correlation coefficient method along the height changes in a parabolic shape. Distributions of Gaussian and non-Gaussian wind pressures vary with side ratios. It is inappropriate to estimate the extreme loads of wind pressures using a fixed peak factor. The trend of the peak factor with side ratios on different walls is given.
This paper presents the results of a set of wind tunnel tests carried out to examine wind-induced overall structural loads on rectangular medium-rise buildings. Emphasis was directed towards torsion and its correlation with peak shear forces in transverse and longitudinal directions. Two building models with the same horizontal dimensions but different gabled-roof angles ($0^{\circ}C$ and $45^{\circ}C$) were tested at different full-scale equivalent eave heights (20, 30, 40, 50, and 60 m) in open terrain exposure for all wind directions (every $15^{\circ}C$). Wind-induced pressures were integrated over building surfaces and results were obtained for along-wind force, across-wind force, and torsional moment. Maximum wind force component was given along with the other simultaneously-observed wind force components normalized by the overall peak. The study found that for flat-roofed buildings maximum torsion for winds in transverse direction is associated with 80% of the overall shear force perpendicular to the longer horizontal building dimension; and 45% of the maximum shear occurs perpendicular to the smaller horizontal building dimension. Comparison of the wind tunnel results with current torsion provisions in the American wind standard, the Canadian and European wind codes demonstrate significant discrepancies. Suggested load combination factors were introduced aiming at an adequate evaluation of wind load effects on rectangular medium-rise buildings.
Across-wind aerodynamic damping ratios are identified from the wind-induced acceleration responses of 15 aeroelastic models of rectangular super-high-rise buildings in various simulated wind conditions by using the random decrement technique. The influences of amplitude-dependent structural damping ratio and natural frequency on the estimation of the aerodynamic damping ratio are discussed and the identifying method for aerodynamic damping is improved at first. Based on these works, effects of turbulence intensity $I_u$, aspect ratio H/B, and side ratio B/D on the across-wind aerodynamic damping ratio are investigated. The results indicate that turbulence intensity and side ratio are the most important factors that affect across-wind aerodynamic damping ratio, whereas aspect ratio indirectly affects the aerodynamic damping ratio by changing the response amplitude. Furthermore, empirical aerodynamic damping functions are proposed to estimate aerodynamic damping ratios at low and high reduced speeds for rectangular super-high-rise buildings with an aspect ratio in the range of 5 to 10, a side ratio of 1/3 to 3, and turbulence intensity varying from 1.7% to 25%.
This technical paper presents a detailed review of the stack effect phenomenon and of the associated implications pertaining to the design and construction of high-rise buildings in regions of extreme climatic conditions. The present review is focused on both the classical 'chimney' effect as well as on the reverse stack effect, which are respectively related to cold and hot climates. For the purposed of the work here presented, the ASHRAE (2013) design conditions of Astana (Kazakhstan) and Riyadh (Kingdom of Saudi Arabia) were selected. A 230 m tall residential building of rectangular floor plan was numerically modelled in the context of the climatic conditions of the two abovementioned cities and a number of sensitivity analyses were performed, covering parametric changes of: temperature, façade air tightness, site wind speeds and wind directions.
Journal of the Earthquake Engineering Society of Korea
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v.19
no.5
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pp.219-228
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2015
For small-size reinforce-concrete buildings, Midas Gen, OpenSees, and Perform-3D, which are structural analysis programs that are most popularly used at present, were applied for nonlinear static pushover analysis, and then difference between those programs was analyzed. Example buildings were limited to 2-story frames only and frames with one or more rectangular walls. Analysis results showed that there was not much difference for frames only based on capacity curves. There were some differences for frames with rectangular walls, but it was not so significant. The global behaviors represented by the capacity curve were not so different, but the feature of each analysis program appeared when the results were analyzed in more detail. Therefore, the program users should understand the feature of the program well, and then conduct performance assessment. The result of this study is limited to low-story frames only and frames with rectangular walls so that it should be noted that it is possible to get different results for frames with non-rectangular walls or mid- to high-rise buildings.
The objective of optimization is to present a design process that minimizes the total material consumption while satisfying current codes and specifications. In the research an optimization formulation for RC shear wall structures is proposed. And based on conceptual design methodology, an optimization process is investigated. Then optimal design techniques and specific explanations are introduced for residential buildings with shear wall structure, especially for that with a rectangular layout. An example of 30-story building is presented to illustrate the effectiveness of the proposed optimal design process. Furthermore, the influence of aspect ratio on the concrete consumption and the steel consumption of the superstructure are analyzed for this typical RC shear wall structure; and their relations are obtained by regressive analysis. Finally, the optimal material consumption is suggested for the residential building with RC shear wall structure and with rectangular layout. The relation and the data suggested can be used for guiding the design of similar RC shear wall structures.
Potential yield of micro wind turbine on the roof of urban high rise buildings is estimated. Urban wind profile is modeled as logarithmic profile above the mean building height with roughness length 0.8, displacement 7.5 m. Mean wind velocity from the meteorological agency data at the hight of 50m is used. Wind velocity changes are simulated on the rectangular roof of 26, 45, 53 degree pitch and the circular roof by computational fluid dynamics and RNG k-$\varepsilon$ turbulence models. Wind velocity increased approximately by a factor of the order of 270 % on the 26 degree pitched roof. In the 100 m and 200 m high buildings, wind enhancement is greater at the front side than at the center of the building. In the building arrangement model wind velocity changes abruptly and it becomes wind gusts. When commercial wind turbines are installed on the building roof, average power and annual power generation enhanced by 3~4 times than normal wind velocity at 50m and 6 kw wind turbine can generate 1053 kwh per month on the 26 degree pitched roof at 50m height and sufficiently supply electrical power with 15 household for common electrical use and food waste disposer. However, power output will vary significantly by the wind conditions in the order of $\pm$ 20 %.
In order to study the working mechanism of rectangular steel-concrete composite columns subjected to compression-bending load and further determine the seismic performance index, a bottom strengthened rectangular steel reinforced concrete (SRC) column with concealed steel plates and a bottom strengthened rectangular concrete filled steel tube (CFST) columns were proposed. Six column models with different configurations were tested under horizontal low cyclic loading. Based on the experiments, the load-bearing capacity, stiffness and degradation process, ductility, hysteretic energy dissipation capacity, and failure characteristics of the models were analyzed. The load-bearing capacity calculation formulas for a normal section and an oblique section of bottom strengthened rectangular steel-concrete composite columns were pesented and a finite element (FE) numerical simulation of the classical specimens was performed. The study shows that the load-bearing capacity, ductility, and seismic energy dissipation capacity of the bottom strengthened rectangular steel-concrete composite columns are significantly improved compared to the conventional rectangular steel-concrete composite columns and the results obtained from the calculation and the FE numerical simulation are in good agreement with those from the experiments. The rectangular steel-concrete composite column with bottom strengthened shows better seismic behavior and higher energy dissipation capacity under suitable constructional requirements and it can be applied to the structure design of high-rise buildings.
Journal of the Earthquake Engineering Society of Korea
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pp.229-238
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2015
For small-size reinforce-concrete buildings, Midas Gen, OpenSees, and Perform-3D, which are structural analysis programs that are most popularly used at present, were applied for nonlinear static pushover analysis, and then difference between those programs was analyzed. Example buildings were limited to 2-story frames with irregular shaped walls. Analysis result showed that there were more differences than for frames only and frames with rectangular walls, but it was not so significant. Nevertheless, the capacity curve were different in some buildings, which is attributed to shape and location of walls, and feature of the analysis program. Especially, selection of automatic or manual input in Midas Gen, or nonlinear wall elements in Perform3D can affect the capacity curve and performance of the buildings. Therefore, the program users should understand the feature of the program well, and then conduct performance assessment. The result of this study is limited to low-story buildings so that it should be noted that it is possible to get different results for mid- to high-rise buildings.
Transactions of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering
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no.8
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pp.828-837
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2009
Recently, as high-rise buildings increase steeply, sub-structures of them are often supported on elastic foundation(in a case of pasternak foundation or winkler foundation). And there are many machines in sub-structures of buildings and slabs of sub-structures are affected by vibration which they make. This paper deals with vibration of plates on elastic foundation. Machines on plates are considered as concentrated mass. This paper has the object of investigating natural frequencies of tapered thick plate on pasternak foundation by means of finite element method and providing kinetic design data for mat of building structures. Free vibration analysis that tapered thick plate with Concentrated Masses in this paper. Finite element analysis of rectangular plate is done by use of rectangular finite element with 8-nodes. In order to analysis plate which is supported on pasternak foundation. The Winkler parameter is varied with 10, $10^2$, $10^3$ and the shear foundation parameter is 5, 10. This paper is analyzed varying thickness by taper ratio. The taper ratio is applied as 0.0, 0.25, 0.5, 0.75, 1.0. And the Concentrated Mass is applied as P1, Pc, P2 respectively.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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