A team of researchers and practitioners were recently assembled to prepare a monograph on "Wind-Induced Motion of Tall Buildings: Designing for Habitability". This monograph presents a state-of-the-art report of occupant response to wind-induced building motion and acceptability criteria for wind-excited tall buildings. It provides background information on a range of pertinent subjects, including: ${\bullet}$ Physiological, psychological and behavioural traits of occupant response to wind-induced building motion; ${\bullet}$ A summary of investigations and findings of human response to real and simulated building motions based on field studies and motion simulator experiments; ${\bullet}$ A review of serviceability criteria to assess the acceptability of wind-induced building motion adopted by international and country-based standards organizations; ${\bullet}$ General acceptance guidelines of occupant response to wind-induced building motion based on peak acceleration thresholds; and ${\bullet}$ Mitigation strategies to reduce wind-induced building motion through structural optimization, aerodynamic treatment and vibration dissipation/absorption. This monograph is to be published by the American Society of Civil Engineers (ASCE) and equips building owners and tall building design professionals with a better understanding of the complex nature of occupant response to and acceptability of wind-induced building motion. This paper is a brief summary of the works reported in the monograph.
Differing from the fixed-type, the dynamic motion of floating-type offshore wind turbines is very sensitive to wind and wave excitations. Thus, the sensing and monitoring of its motion is important to evaluate the dynamic responses to the external excitation. In this context, a monitoring system for sensing and processing the wind-induced dynamic motion of spar-type floating offshore wind turbine is developed in this study. It is developed by integrating a 1/00 scale model of 2.5MW spar-type floating offshore wind turbine, water basin equipped with the wind generator, sensing and data acquisition systems, real-time CompactRIO controller and monitoring program. The scale model with the upper rotatable blades is installed within the basin by means of three mooring lines, and its translational and rotational motions are detected by 3-axis inclinometer and accelerometers and gyroscope. The detected motion signals are processed using a real-time controller CompactRIO to calculate the acceleration and tilting angle of nacelle and the attitude of floating platform. The developed monitoring system is demonstrated and validated by measuring and evaluating the time histories and trajectories of nacelle and platform motions for three different wind velocities and for eight different fairlead positions.
Wind tunnel aeroelastic model tests of the Commonwealth Advisory Aeronautical Research Council (CAARC) standard tall building were conducted using a three-degree-of-freedom base hinged aeroelastic(BHA) model. Experimental investigation into the effects of coupled translational-torsional motion, cross-wind/torsional frequency ratio and eccentricity between centre of mass and centre of stiffness on the wind-induced response characteristics and wind excitation mechanisms was carried out. The wind tunnel test results highlight the significant effects of coupled translational-torsional motion, and eccentricity between centre of mass and centre of stiffness, on both the normalised along-wind and cross-wind acceleration responses for reduced wind velocities ranging from 4 to 20. Coupled translational-torsional motion and eccentricity between centre of mass and centre of stiffness also have significant impacts on the amplitude-dependent effect caused by the vortex resonant process, and the transfer of vibrational energy between the along-wind and cross-wind directions. These resulted in either an increase or decrease of each response component, in particular at reduced wind velocities close to a critical value of 10. In addition, the contribution of vibrational energy from the torsional motion to the cross-wind response of the building model can be greatly amplified by the effect of resonance between the vortex shedding frequency and the torsional natural frequency of the building model.
Excessive wind-induced motion in tall buildings can cause discomfort, affect health, and disrupt the daily activities of the occupants of a building. Dynamic vibration absorbers such as the tuned mass dampers (TMDs) can be used to reduce the wind-induced motion below a specified tolerable serviceability limit state (SLS) criterion. This study investigates whether the same probability of not exceeding specified wind-induced motion levels can be achieved by torsionally sensitive structures without/with linear/nonlinear TMDs subjected to partially correlated wind forces, if they are designed to just meet the same SLS criterion. For the analyses, different structures and the uncertainty in the response, wind load and perception of motion is considered. Numerical results indicate that for structures that are designed or retrofitted without or with optimum linear TMDs and satisfying the same SLS criterion, their probability of exceeding the considered criterion is very consistent, if the inherent correlation between the wind forces is considered in design. However, this consistency deteriorates if nonlinear TMDs are employed. Furthermore, if the correlation is ignored in the design, in many cases a slightly unconservative design, as compared to the designed by considering correlation, is achieved.
This study focused on the non-synoptic, tornado-like wind-induced effects on flexible horizontal structures that are extremely sensitive to winds. More specifically, the nonuniform, intensive vertical wind-velocity and transient natures of tornado events and their effects on the global behavior of a long-span bridge were investigated. In addition to the static part in the modeling of tornado-like wind-induced loads, the motion-induced effects were modeled using the semi-empirical model with a two-dimensional (2-D) indicial response function. Both nonlinear wind-induced static analysis and linear aeroelastic analysis in the time domain were conducted based on a 3-D finite-element model to investigate the bridge performance under the most unfavorable tornado pattern considering wind-structure interactions. The results from the present study highlighted the important effects due to abovementioned tornado natures (i.e., nonuniform, intensive vertical wind-velocity and transient features) on the long-span bridge, and hence may facilitate more appropriate wind design of flexible horizontal structures in the tornado-prone areas.
The paper is concerned with the numerical study of the cross-wind response of the 295 m-tall six-flue industrial chimney, located in the power station of Belchatow, Poland. The response of the chimney due to turbulent wind flow is caused by the lateral turbulence component and vortex excitation with taking into account motion-induced wind forces. The cross-wind response has been estimated by means of the random vibration approach. Three power spectral density functions suggested by Kaimal, Tieleman and Solari for the evaluation of the lateral turbulence component response are taken into account. The vortex excitation response has been calculated by means of the Vickery and Basu's model including some complements. Motion-induced wind forces acting on a vibrating chimney have been modeled as a nonlinear aerodynamic damping force. The influence of three components mentioned above on the total cross-wind response of the chimney has been investigated. Moreover, the influence of damping ratios, evaluated by Multi-mode Random Decrement Technique, and number of mode shapes of the chimney have been examined. Computer programmes have been developed to obtain responses of the chimney. The numerical results and their comparison are presented.
Aeroelastic phenomena of a wind turbine include stall-induced vibrations and classical flutters. The classical flutter occurs due to coalescence between bending mode and torsion mode. It is typically the aeroelastic instability of an aircraft wing. Different from the classical flutter, the stall-induced vibration is the instability in lead-lag mode due to negative aerodynamic dampings. In the present study, the three degree of freedom aeroelastic model of a wind turbine blade is introduced to characterize and analyze its aeroelastic phenomena. The numerical results show that the aeroelastic stability of flap-lag motion is more unstable than that of flap-pitch motion and the aeroelastic characteristics of lead-lag motion can become unstable as wind speed increases.
A three-degree-of-freedom base hinged assembly (BHA) for aeroelastic model tests of tall building was developed. The integral parts of a BHA, which consists of two perpendicular plane frames and a flexural pivot, enable this modeling technique to independently simulate building translational and torsional degree-of-freedom. A program of wind tunnel aeroelastic model tests of the CAARC standard tall building was conducted with emphasis on the effect of (a) torsional motion, (b) cross-wind/torsional frequency ratio and (c) the presence of an eccentricity between center of mass and center of stiffness on wind-induced response characteristics. The experimental results highlight the significant effect of coupled translational-torsional motion and the effect of eccentricity between center of mass and center of stiffness on the resultant rms acceleration responses in both along-wind and cross-wind directions especially at operating reduced wind velocities close to a critical value of 10. In addition, it was sound that the vortex shedding process remains the main excitation mechanism in cross-wind direction even in case of tall buildings with coupled translational-torsional motion and with eccentricity.
The present study considers the prediction of wind-induced heel of cruise ship and its stabilization. Wind load in ocean exerts on the surface of superstructure of cruise ship, which causes the heel moment on the ship. The calculation of wind load starts from choosing wind speed profile, so that the logarithmic wind profile model is applied in this study. Heel moment by wind load is calculated by adopting approximate formulation and applied to the ship motion analysis in time domain. Motion stabilizers, such as stabilizing fin and U-tube tank, are considered to reduce the heel effect as well as excessive roll motion. From this study, it is expected that the present method can be applied to the prediction and stabilization of the heel motion of cruise ships.
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.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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