In the recent years flow around bridges are investigated using computer modeling. Selvam (1998), Selvam and Bosch (1999), Frandsen and McRobie (1999) used finite element procedures. Larsen and Walther (1997) used discrete vorticity procedure. The aeroelastic instability is a major criterion to be checked for long span bridges. If the wind speed experienced by a bridge is greater than the critical wind speed for flutter, then the bridge fails due to aeroelastic instability. Larsen and Walther (1997) computed the critical velocity for flutter using discrete vortex method similar to wind tunnel procedures. In this work, the critical velocity for flutter will be calculated directly (free oscillation procedure) similar to the approaches reported by Selvam et al. (1998). It is expected that the computational time required to compute the critical velocity using this approach may be much shorter than the traditional approach. The computed critical flutter velocity of 69 m/s is in reasonable comparison with wind tunnel measurement. The no flutter and flutter conditions are illustrated using the bridge response in time.
The probabilistic characterization of wind field characteristics is a significant task for fatigue reliability assessment of long-span railway bridges in wind-prone regions. In consideration of the effect of wind direction, the stochastic properties of wind field should be represented by a bivariate statistical model of wind speed and direction. This paper presents the construction of the bivariate model of wind speed and direction at the site of a railway arch bridge by use of the long-term structural health monitoring (SHM) data. The wind characteristics are derived by analyzing the real-time wind monitoring data, such as the mean wind speed and direction, turbulence intensity, turbulence integral scale, and power spectral density. A sequential quadratic programming (SQP) algorithm-based finite mixture modeling method is proposed to formulate the joint distribution model of wind speed and direction. For the probability density function (PDF) of wind speed, a double-parameter Weibull distribution function is utilized, and a von Mises distribution function is applied to represent the PDF of wind direction. The SQP algorithm with multi-start points is used to estimate the parameters in the bivariate model, namely Weibull-von Mises mixture model. One-year wind monitoring data are selected to validate the effectiveness of the proposed modeling method. The optimal model is jointly evaluated by the Bayesian information criterion (BIC) and coefficient of determination, $R^2$. The obtained results indicate that the proposed SQP algorithm-based finite mixture modeling method can effectively establish the bivariate model of wind speed and direction. The established bivariate model of wind speed and direction will facilitate the wind-induced fatigue reliability assessment of long-span bridges.
Wittwer, Adrian R.;Loredo-Souza, Acir M.;Schettini, Edith B. Camano;Castro, Hugo G.
Wind and Structures
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v.27
no.6
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pp.417-430
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2018
The concentration fields in the proximities of a local gas emission source are experimentally analyzed in several combinations of wind incidences and source emissions. These conditions are determined by the plume buoyancy, emission velocity and incident flow wind speed. Concentration measurements are performed by an aspirating probe in a boundary layer wind tunnel. The analysis included the mean concentration values and the intensity of concentration fluctuations in a neutral atmospheric boundary layer flow. Different configurations are tested: an isolated stack in a homogeneous terrain and a stack with a bluff body in close proximity, located windward and leeward from the emission source. The experimental mean concentration values are contrasted with Gaussian profiles and the dilution factor is analyzed with respect to the empirical curves of the minimum dilution. Finally, a study on the plume intermittency is performed in a cross-sectional plane near the emission source. It is possible to highlight the following observations: a) plume vertical asymmetry in the case of an isolated emission source, b) significant differences in the dispersion process related to the relative location of the emission source and bluff body effects, and c) different probabilistic behavior of the concentration fluctuation data in a cross-sectional measurement plane inside the plume.
Full scale measurement on the structural dynamic characteristics and Vortex-induced Vibrations (VIV) of a long-span suspension bridge with a central span of 1650 m were conducted. Different Finite Element (FE) modeling principles for the separated twin-box girder were compared and evaluated with the field vibration test results, and the double-spine model was determined to be the best simulation model, but certain modification still needs to be made which will affect the basic modeling parameters and the dynamic response prediction values of corresponding wind tunnel tests. Based on the FE modal analysis results, small-scaled and large-scaled sectional model tests were both carried out to investigate the VIV responses, and probable Reynolds Number effects or scale effect on VIV responses were presented. Based on the observed VIV modes in the field measurement, the VIV results obtained from sectional model tests were converted into those of the three-dimensional (3D) full-scale bridge and subsequently compared with field measurement results. It is indicated that the large-scaled sectional model test can probably provide a reasonable and effective prediction on VIV response.
Windborne debris is a major cause of structural damage during severe windstorms and hurricanes owing to its direct impact on building envelopes as well as to the 'chain reaction' failure mechanism it induces by interacting with wind pressure damage. Estimation of debris risk is an important component in evaluating wind damage risk to residential developments. A debris risk model developed by the authors enables one to analytically aggregate damage threats to a building from different types of debris originating from neighboring buildings. This model is extended herein to a general debris risk analysis methodology that is then incorporated into a vulnerability model accounting for the temporal evolution of the interaction between pressure damage and debris damage during storm passage. The current paper (Part I) introduces the debris risk analysis methodology, establishing the mathematical modeling framework. Stochastic models are proposed to estimate the probability distributions of debris trajectory parameters used in the method. It is shown that model statistics can be estimated from available information from wind-tunnel experiments and post-damage surveys. The incorporation of the methodology into vulnerability modeling is described in Part II.
Loredo-Souza, Acir M.;Wittwer, Adrian R.;Castro, Hugo G.;Vallis, Matthew B.
Wind and Structures
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v.24
no.6
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pp.657-677
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2017
This paper discusses some features and conditions that characterize the Zonda wind, focusing particularly on the implications for wind engineering applications. This kind of wind, typical of mountainous regions, is far from being adequately characterized for computational simulations and proper modeling in experimental facilities such as boundary layer wind tunnels. The objective of this article is to report the research works that are being developed on this kind of wind, describing the main obtained results, and also to establish some general guidelines for the proper analysis of the Zonda in the wind engineering context. A classification for the Zonda wind is indicated and different cases of structural and environmental effects are described. Available meteorological data is analyzed from the wind engineering point of view to obtain the Zonda wind gust factors, as well as basic wind speeds relevant for structural design. Some considerations and possible directions for the Zonda wind-tunnel and computational modeling are provided. Gust factor values larger than those used for open terrain were obtained, nevertheless, the basic wind speed values obtained are similar to values presented by the Argentinian Wind Code for three-second gust, principally at Mendoza airport.
The suitability of Computational Fluid Dynamics (CFD) simulations on the built environment for the purpose of estimating average roughness characteristics and for studying wind flow patterns within the environment is assessed. Urban models of various levels of complexity are considered including an empty domain, array of obstacles arranged in regular and staggered manners, in-homogeneous roughness with multiple patches, a semi-idealized built environment, and finally a real built environment. For each of the test cases, we conducted CFD simulations using RANS turbulence closure and validated the results against appropriate methods: existing empirical formulas for the homogeneous roughness case, empirical wind speed models for the in-homogeneous roughness case, and wind tunnel tests for the semi-idealized built environment case. In general, results obtained from the CFD simulations show good agreement with the corresponding validation methods, thereby, giving further evidence to the suitability of CFD simulations for built environment studies consisting of wide-ranging roughness. This work also provides a comprehensive overview of roughness modeling in CFD-from the simplest approach of modeling roughness implicitly through wall functions to the most elaborate approach of modeling roughness explicitly for the sake of accurate wind flow simulations within the built environment.
Wind tunnel experiment was carried out to study the cross-wind layer forces on a square cross-section building model using a synchronous multi-pressure sensing system. The stationarity of measured wind loadings are firstly examined, revealing the non-stationary feature of cross-wind forces. By converting the measured non-stationary wind forces into an energetically equivalent stationary process, the characteristics of local wind forces are studied, such as power spectrum density and spanwise coherence function. Mathematical models to describe properties of cross-wind forces at different layers are thus established. Then, a conditional simulation method, which is able to ex-tend pressure measurements starting from experimentally measured points, is proposed for the cross-wind loading. The method can reproduce the non-stationary cross-wind force by simulating a stationary process and the corresponding time varying amplitudes independently; in this way the non-stationary wind forces can finally be obtained by combining the two parts together. The feasibility and reliability of the proposed method is highlighted by an ex-ample of across wind loading simulation, based on the experimental results analyzed in the first part of the paper.
A tornado changes its wind speed and direction rapidly; therefore, it is difficult to study the effects of a tornado on buildings in a wind tunnel. In this work, the status of the tornado-structure interaction is surveyed by numerical simulation. Various models of the tornado wind field found in literature are surveyed. Three-dimensional computer modeling work using the turbulence model based on large eddy simulation is presented. The effect of tornado on a cubic building is considered for this study. The Navier-Stokes (NS) equations are approximated by finite difference method, and solved by a semi-implicit procedure. The force coefficients are plotted in time to study the effect of the Rankine-Combined Vortex Model. Some flow visualizations are also reported to understand the flow behavior around the cube.
Synchronous multi-pressure measurements were carried out with relatively long time duration for a double-layer reticulated shell roof model in the atmospheric boundary layer wind tunnel. Since the long roof is open at two ends for the storage of coal piles, three different testing cases were considered as the empty roof without coal piles (Case A), half coal piles inside (Case B) and full coal piles inside (Case C). Based on the wind tunnel test results, non-Gaussian time-dependent statistics of net wind pressure on the shell roof were quantified in terms of skewness and kurtosis. It was found that the direct statistical estimation of high-order moments and peak factors is quite sensitive to the duration of wind pressure time-history data. The maximum value of COVs (Coefficients of variations) of high-order moments is up to 1.05 for several measured pressure processes. The Mixture distribution models are proposed for better modeling the distribution of a parent pressure process. With the aid of mixture parent distribution models, the existing translated-peak-process (TPP) method has been revised and improved in the estimation of non-Gaussian peak factors. Finally, non-Gaussian peak factors of wind pressure, particularly for those observed hardening pressure process, were calculated by employing various state-of-the-art methods and compared to the direct statistical analysis of the measured long-duration wind pressure data. The estimated non-Gaussian peak factors for a hardening pressure process at the leading edge of the roof were varying from 3.6229, 3.3693 to 3.3416 corresponding to three different cases of A, B and C.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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