For a systematic study on wind-induced vibration characteristics of large hyperbolic cooling towers with different feature sizes, the pressure measurement tests are finished on the rigid body models of three representative cooling towers with the height of 155 m, 177 m and 215 m respectively. Combining the refined frequency-domain algorithm of wind-induced responses, the wind-induced average response, resonant response, background response, coupling response and wind vibration coefficients of large cooling towers with different feature sizes are obtained. Based on the calculating results, the parametric analysis on wind-induced vibration of cooling towers is carried out, e.g. the feature sizes, damping ratio and the interference effect of surrounding buildings. The discussion shows that the increase of feature sizes makes wind-induced average response and fluctuating response larger correspondingly, and the proportion of resonant response also gradually increased, but it has little effect on the wind vibration coefficient. The increase of damping ratio makes resonant response and the wind vibration coefficient decreases obviously, which brings about no effect on average response and background response. The interference effect of surrounding buildings makes the fluctuating response and wind vibration coefficient increased significantly, furthermore, the increase ranges of resonant response is greater than background response.
This study presents a comprehensive investigation of wind load characteristics and wind-induced responses associated with different wind incidence angles and terrains of the 1000kV UHV substation frame. High-frequency force balance (HFFB) force measurement wind tunnel tests are conducted on the overall and segment models to characterize wind loads characteristics such as the aerodynamic force coefficients and the shape factors. The most unfavorable wind incidence angles and terrains for aerodynamic characteristics are obtained. A finite element model of the substation frame is built to determine the wind-induced response characters based on the aerodynamic force coefficients and bottom forces of the segment models. The mean and root mean square (RMS) values of displacement responses at different heights of the frame structure are compared and analyzed. The influence of wind incidence angle and terrains on wind-induced responses is also examined. The displacement responses in terms of the crest factor method are subsequently transformed into dynamic response factors. The recommended values of dynamic response factors at four typical heights have been proposed to provide a reference for the wind resistance design of such structures.
The 246.8-m-tall Beijing Olympic Tower (BOT) is a new landmark in Beijing City, China. Its unique architectural style with five sub-towers and a large tower crown gives rise to complex dynamic characteristics. Thus, it is wind-sensitive, and a double-stage pendulum tuned mass damper (DPTMD) has been installed for vibration mitigation. In this study, a finite-element analysis of the wind-induced responses of the tower based on full-scale measurement results was performed. First, the structure of the BOT and the full-scale measurement are introduced. According to the measured dynamic characteristics of the BOT, such as the natural frequencies, modal shapes, and damping ratios, an accurate finite-element model (FEM) was established and updated. On the basis of wind measurements, as well as wind-tunnel test results, the wind load on the model was calculated. Then, the wind-induced responses of the BOT with the DPTMD were obtained and compared with the measured responses to assess the numerical wind-induced response analysis method. Finally, the wind-induced serviceability of the BOT was evaluated according to the field measurement results for the wind-induced response and was found to be satisfactory for human comfort.
Wind loading is one of important loadings that should be considered in the design of large hyperbolic natural-draught cooling towers. Both external and internal surfaces of cooling tower are under the action of wind loading for cooling circulating water. In the previous studies, the wind loads on the external surface attracted concernedly attention, while the study on the internal surface was relatively ware. In the present study, the wind pressure on the internal surface of a 220 m high cooling tower is measured through wind tunnel testing, and the effect of ventilation rate of the packing layer on internal pressure is a major concern. The characteristics of internal wind pressure distribution and its effect on wind-induced responses calculated by finite element method are investigated. The results indicate that the wind loading on internal surface of the cooling tower behaves remarkable three-dimensional effect, and the pressure coefficient varies along both of height and circumferential directions. The non-uniformity is particularly strong during the construction stage. Analysis results of the effect of internal pressure on wind-induced responses show that the size and distribution characteristics of internal pressure will have some influence on wind-induced response, however, the outer pressure plays a dominant role in the wind-induced response of cooling tower, and the contribution of internal pressure to the response is small.
Advances in structural materials and construction methods have resulted in flexible and light tall buildings, making an assessment of structural safety during strong wind and serviceability/habitability during comparable medium/weak wind important design criteria. So far, lots of studies on suppressing the wind-induced responses have been carried out for tall buildings with aerodynamic modification. Most of the studies on aerodynamic modification have forced on the corner modification, while the studies on taper and set-back are limited. Changes of sectional shape through taper and set-back can modify the flow pattern around the models, encouraging more 3-dimensionalities, which results in reducing the wind-induced excitations. This paper discusses the characteristics of overturning moments and wind-induced responses of the tall buildings with height variations. The reduction of mean along-wind and fluctuating across-wind overturning moments are apparent in the suburban area than in urban area. A series of the response analyses, the rms displacement responses of the tall buildings with height variations are reduced greatly, while the rms acceleration responses are not necessarily reduced, showing dependences on wind direction.
Teng Y. Xue;Hong B. Liu;Ting Zhou;Xin C. Chen;Xiang Zhang;Zhi P. Zou
Wind and Structures
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v.37
no.3
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pp.245-254
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2023
In this paper, the wind-induced response of Jiayuguan wooden building (world cultural heritage) in Northwest China was studied. ANSYS finite element software was used to establish four kinds of building models under different working conditions and carry out modal analysis. The simulation results were compared with the field dynamic test results, obtaining the model which reflects the real vibration characteristics of the wooden tower. Time history data of fluctuating wind speed was obtained by MATLAB programming. Time domain method and ANSYS were used to analyze the wind-induced vibration response time history of Jiayuguan wooden building, obtaining the displacement time history curve of the structure. It was suggested that the wind-induced vibration coefficient of Jiayuguan wooden building is 1.76. Through analysis of the performance of the building under equivalent static wind load, the maximum displacement occurs in the three-story wall, gold column and the whole roof area, and the maximum displacement of the building is 5.39 cm. The ratio of the maximum stress value to the allowable value of wood tensile strength is 45 %. The research results can provide reference for the wind resistant design and protection of ancient buildings with similar structure to Jiayuguan wooden tower.
Park, Eun Churn;Lee, Sang-Hyun;Min, Kyung-Won;Chung, Lan;Lee, Sung-Kyung;Cho, Seung-Ho;Yu, Eunjong;Kang, Kyung-Soo
Smart Structures and Systems
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v.4
no.1
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pp.85-98
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2008
In this paper, excitation systems using a linear mass shaker (LMS) and an active tuned mass damper (ATMD) are presented to simulate the wind induced responses of a building structure. The actuator force for the excitation systems is calculated by using the inverse transfer function of a target structural response to the actuator. Filter and envelop functions are used to prevent the actuator from exciting unexpected modal responses and an initial transient response and thus, to minimize the error between the wind and actuator induced responses. The analyses results from a 76-story benchmark building problem for which the wind load obtained by a wind tunnel test is given, indicate that the excitation system installed at a specific floor can approximately reproduce the structural responses induced by the wind load applied to each floor of the structure. The excitation system designed by the proposed method can be effectively used for evaluating the wind response characteristics of a practical building structure and for obtaining an accurate analytical model of the building under wind load.
Tamura, Yukio;Kareem, Ahsan;Solari, Giovanni;Kwok, Kenny C.S.;Holmes, John D.;Melbourne, William H.
Wind and Structures
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v.8
no.4
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pp.251-268
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2005
This paper describes the work of the International Association for Wind Engineering Working Group E -Dynamic Response, one of the International Codification Working Groups set up at the Tenth International Conference on Wind Engineering in Copenhagen. Comparisons of gust loading factors and wind-induced responses of major codes and standards are first reviewed, and recent new proposals on 3-D gust loading factor techniques are introduced. Then, the combined effects of along-wind, crosswind and torsional wind load components are discussed, as well as the dynamic characteristics of buildings. Finally, the mathematical forms of along-wind velocity spectra for along-wind response calculation and codification of acceleration criteria are discussed.
Guyed mast structures exhibit characteristics such as high flexibility, low mass, small damping ratio, and large aspect ratio, leading to a complex wind-induced vibration response mechanism. This study analyzed the time- and frequency-domain characteristics of the wind-induced response of a guyed mast structure using measured acceleration response data obtained from the Shenzhen Meteorological Gradient Tower (SZMGT). Firstly, 734 sets of 1-hour acceleration samples measured from 0:00 October 1, 2021, to 0:00 November 1, 2021, were selected to study the vibration shapes of the mast and the characteristics of the generalized extreme value (GEV) distribution. Secondly, six sets of typical samples with different vibration intensities were further selected to explore the Gaussian property and modal parameter characteristics of the mast. Finally, the modal parameters of the SZMGT are identified and the identification results are verified by finite element analysis. The findings revealed that the guyed mast vibration shape exhibits remarkable diversity, which increases nonlinearly along the height in most cases and reaches a maximum at the top of the tower. Moreover, the GEV distribution characteristics of the 734 sets of samples are closer to the Weibull distribution. The probability distribution of the structural wind vibration response under strong wind is in good agreement with the Gaussian distribution. The structural response of the mast under wind loading exhibits multiple modes. As the structural response escalates, the first three orders of modal energy in the tower display a gradual increase in proportion.
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.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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