This study analyzed the pressure patterns and local pressure of tall buildings with corner modifications (recessed and chamfered corner) using wind tunnel tests and proper orthogonal decomposition (POD). POD can distinguish pressure patterns by POD mode and more dominant pressure patterns can be found according to the order of POD modes. Results show that both recessed and chamfered corners effectively reduced wind-induced responses. Additionally, unique effects were observed depending on the ratio of corner modification. Tall building models with recessed corners showed fluctuations in the approaching wind flow in the first POD mode and vortex shedding effects in the second POD mode. With large corner modification, energy distribution became small in the first POD mode, which shows that the effect of the first POD mode reduced. Among building models with chamfered corners, vortex shedding effects appeared in the first POD mode, except for the model with the highest ratio of corner modifications. The POD confirmed that both recessed and chamfered corners play a role in reducing vortex shedding effects, and the normalized power spectral density peak value of modes showing vortex shedding was smaller than that of the building model with a square section. Vortex shedding effects were observed on the front corner surfaces resulting from corner modification, as with the side surface. For buildings with recessed corners, the local pressure on corner surfaces was larger than that of side surfaces. Moreover, the average wind pressure was effectively reduced to 88.42% and 92.40% in RE1 on the windward surface and CH1 on the side surface, respectively.
Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society
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v.11
no.5
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pp.1785-1790
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2010
To study the vortex induced vibrations the wind tunnel and the two story shear building were designed and built. The wind tunnel was designed to generate the wind speed up to 24 m/s, and the building was designed to have the two lowest natural frequencies within the range of the vortex frequencies generated by the wind tunnel. The resonance behaviors by the locking-on phenomena were observed during the wind tunnel tests of the shear building with the cylinder attached. From the locking-on phenomena observed it is found that the effects of the amplitudes and the frequencies of the cylinders should be considered on the forces generated by the vortex shedding.
This paper concerns computational response predictions when a tuned mass damper is intended to be used for the suppression of vortex shedding induced vibrations of e.g., a bridge deck. A general frequency domain theory is presented and its application is exemplified on a suspension bridge (where vortex shedding vibrations have been observed and where such an installation is a possible solution). Relevant load data are taken from previous wind tunnel tests. In particular, the displacement response statistics of the tuned mass damper as well as the bridge deck are obtained from time domain simulations, showing that after the installation of a TMD peak factors between three and four should be expected.
Riedman, Michelle;Sinh, Hung Nguyen;Letchford, Christopher;O'Rourke, Michael
Wind and Structures
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v.20
no.3
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pp.405-422
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2015
In previous model- and full-scale studies, high-amplitude vertical vibrations of mast-arm traffic signal structures have been shown to be due to vortex shedding, a phenomenon in which alternatingly shed, low-pressure vortices induce oscillating forces onto the mast-arm causing a cross-wind response. When the frequency of vortices being shed from the mast-arm corresponds to the natural frequency of the structure, a resonant condition is created causing long-lasting, high-amplitude vibrations which may lead to the fatigue failure of these structures. Turbulence in the approach flow is known to affect the cohesiveness of vortex shedding. Results from this full-scale investigation indicate that the surrounding terrain conditions, which affect the turbulence intensity of the wind, greatly influence the likelihood of occurrence of long-lasting, high-amplitude vibrations and also impact whether reduced service life due to fatigue is likely to be of concern.
Kargarmoakhar, Ramtin;Chowdhury, Arindam G.;Irwin, Peter A.
Wind and Structures
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v.20
no.2
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pp.327-347
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2015
This paper investigates the effects of Reynolds number (Re) on the aerodynamic characteristics of a twin-deck bridge. A 1:36 scale sectional model of a twin girder bridge was tested using the Wall of Wind (WOW) open jet wind tunnel facility at Florida International University (FIU). Static tests were performed on the model, instrumented with pressure taps and load cells, at high wind speeds with Re ranging from $1.3{\times}10^6$ to $6.1{\times}10^6$ based on the section width. Results show that the section was almost insensitive to Re when pitched to negative angles of attack. However, mean and fluctuating pressure distributions changed noticeably for zero and positive wind angles of attack while testing at different Re regimes. The pressure results suggested that with the Re increase, a larger separation bubble formed on the bottom surface of the upstream girder accompanied with a narrower wake region. As a result, drag coefficient decreased mildly and negative lift coefficient increased. Flow modification due to the Re increase also helped in distributing forces more equally between the two girders. The bare deck section was found to be prone to vortex shedding with limited dependence on the Re. Based on the observations, vortex mitigation devices attached to the bottom surface were effective in inhibiting vortex shedding, particularly at lower Re regime.
To study the vibration frequency of super high-rise buildings in the process of vortex induced vibration (VIV), wind tunnel tests of multi-degree-of-freedom (MDOF) aero-elastic models were carried out to measure the vibration frequency of the system directly. The effects of structural damping, wind field category, mass density, reduced wind velocity ($V_r$), as well as VIV displacement on the VIV frequency were investigated systematically. It was found that the frequency drift phenomenon cannot be ignored when the building is very high and flexible. When $V_r$ is less than 8, the drift magnitude of the frequency is typically positive. When $V_r$ is close to the critical wind velocity of resonance, the frequency drift magnitude becomes negative and reaches a minimum at the critical wind velocity. When $V_r$ is larger than12, the frequency drift magnitude almost maintains a stable value that is slightly smaller than the fundamental frequency of the aero-elastic model. Furthermore, the vibration frequency does not lock in the vortex shedding frequency completely, and it can even be significantly modified by the vortex shedding frequency when the reduced wind velocity is close to 10.5.
Zengshun Chen;Jie Bai;Yemeng Xu;Sijia Li;Jianmin Hua;Cruz Y. Li;Xuanyi Xue
Wind and Structures
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v.37
no.5
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pp.331-346
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2023
This work investigates the effects of transverse inclination on an aeroelastic prism through forced-vibration wind tunnel experiments. The aerodynamic characteristics are tri-parametrically evaluated under different wind speeds, inclination angles, and oscillation amplitudes. Results show that transverse inclination fundamentally changes the wake phenomenology by impinging the fix-end horseshoe vortex and breaking the separation symmetry. The aftermath is a bi-polar, one-and-for-all change in the aerodynamics near the prism base. The suppression of the horseshoe vortex unleashes the Kármán vortex, which significantly increases the unsteady crosswind force. After the initial morphology switch, the aerodynamics become independent of inclination angle and oscillation amplitude and depend solely on wind speed. The structure's upper portion does not feel the effect, so this phenomenon is called Base Intensification. The phenomenon only projects notable impacts on the low-speed and VIV regime and is indifferent in the high-speed. In practice, Base Intensification will disrupt the pedestrian-level wind environment from the unleashed Bérnard-Kármán vortex shedding. Moreover, it increases the aerodynamic load at a structure base by as much as 4.3 times. Since fix-end stiffness prevents elastic dissipation, the load translates to massive stress, making detection trickier and failures, if they are to occur, extreme, and without any warnings.
After over a century of effort by researchers and engineers, the problem of bluff body flow, in particular vortex shedding frequency, remains almost entirely in the empirical, descriptive realm of knowledge. Computational methods have been systematically applied for vortex-induced vibrations of the cable-stayed bridge with steel composite deck by unsteady wind loadings due to vortex-shedding. The focus of this paper is to predict the vortex-induced vibration of the cable-stayed bridge with steel composite deck based computational fluid dynamics(CFD).
In this paper a novel and efficient computational framework to estimate the stress range versus number of cycles curves experienced by a cable due to external excitations (e.g., seismic excitations, traffic and wind-induced vibrations, among others) is proposed. This study is limited to the wind-cable interaction governed by the Vortex Shedding mechanism which mainly rules cables vibrations at low amplitudes that may lead to their failure due to bending fatigue damage. The algorithm relies on a stochastic approach to account for the uncertainties in the cable properties, initial conditions, damping, and wind excitation which are the variables that govern the wind-induced vibration phenomena in cables. These uncertainties are propagated adopting Monte Carlo simulations and the concept of importance sampling, which is used to reduce significantly the computational costs when new scenarios with different probabilistic models for the uncertainties are evaluated. A high fidelity cable model is also proposed, capturing the effect of its internal wires distribution and helix angles on the cables stress. Simulation results on a 15 mm diameter high-strength steel strand reveal that not accounting for the initial conditions uncertainties or using a coarse wind speed discretization lead to an underestimation of the stress range experienced by the cable. In addition, parametric studies illustrate the computational efficiency of the algorithm at estimating new scenarios with new probabilistic models, running 3000 times faster than the base case.
Tests were conducted at the Florida International University (FIU) Wall of Wind (WOW) to investigate the susceptibility of Variable Message Signs (VMS) to wind induced vibrations due to vortex shedding and galloping instability. Large scale VMS models were tested in turbulence representative of the high frequency end of the spectrum in a simulated suburban atmospheric boundary layer. Data was measured for the $0^{\circ}$ and $45^{\circ}$ horizontal wind approach directions and vertical attack angles ranging from $-4.5^{\circ}$ to $+4.5^{\circ}$. Analysis of the power spectrum of the fluctuating lift indicated that vertical vortex oscillations could be significant for VMS with a large depth ratio attached to a structure with a low natural frequency. Analysis of the galloping test data indicated that VMS with large depth ratios, greater than about 0.5, and low natural frequency could also be subject to galloping instability.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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