In this paper, excitation systems using linear mass shaker (LMS) are presented in order 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 function are used such that the error between the wind and actuator induced responses is minimized by preventing the actuator from exciting unexpected modal response and initial transient response. The analyses results from a 76-story benchmark building problem in which wind load obtained by wind tunnel test is given, indicate that the excitation system installed at a specific floor can approximately embody 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.
This paper presents the dynamic characteristics analysis of the purlin-sheet roofs by the random vibration theories. Results show that the natural vibration frequency of the purlin-sheet roof is low, while the frequencies and mode distributions are very intensive. The random vibration theory should be used for the dynamic characteristics of the roof structures due to complex vibration response. Among the first 20th vibration modes, the first vibration mode is mainly the deformations of purlins, while the rest modes are the overall deformations of the roof. In the following 30th modes, it mainly performs unilateral local deformations of the roof. The frequency distribution of the first 20th modes varies significantly while those of the following 30th modes are relatively sensitive. For different parts, the contributions of vibration modes on the vibration response are different. For the part far from the roof ridge, only considering the first 5th modes can reflect the wind-induced vibration response. For the part near the ridge, at least the first 12 modes should be considered, due to complex vibration response. The wind vibration coefficients of the upwind side are slightly higher than that of the leeward side. Finally, the corresponding wind vibration coefficient for the purlin-sheet roof is proposed.
Hyperbolic thin-shell cooling towers have complicated vibration modes, and are very sensitive to the effects of group towers and wind-induced vibrations. Traditional aero-elastic models of cooling towers are usually designed based on the method of stiffness simulation by continuous medium thin shell materials. However, the method has some shortages in actual engineering applications, so the so-called "equivalent beam-net design method" of aero-elastic models of cooling towers is proposed in the paper and an aero-elastic model with a proportion of 1: 200 based on the method above with integrated pressure measurements and vibration measurements has been designed and carried out in TJ-3 wind tunnel of Tongji university. According to the wind tunnel test, this paper discusses the impacts of self-excited force effect on the surface wind pressure of a large-scale cooling tower and the results show that the impact of self-excited force on the distribution characteristics of average surface wind pressure is very small, but the impact on the form of distribution and numerical value of fluctuating wind pressure is relatively large. Combing with the Complete Quadratic Combination method (hereafter referred to as CQC method), the paper further studies the numerical sizes and distribution characteristics of background components, resonant components, cross-term components and total fluctuating wind-induced vibration responses of some typical nodes which indicate that the resonance response is dominant in the fluctuating wind-induced vibration response and cross-term components are not negligible for wind-induced vibration responses of super-large cooling towers.
Su, Ning;Peng, Shitao;Hong, Ningning;Wu, Xiaotong;Chen, Yunyue
Wind and Structures
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제30권4호
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pp.405-421
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2020
Quayside container cranes are important delivery machineries located in the most frontiers of container terminals, where strong wind attacks happen occasionally. Since the previous researches on quayside container cranes mainly focused on the mean wind load and static response characteristics, the fluctuating wind load and dynamic response characteristics require further investigations. In the present study, the aerodynamic wind loads on quayside container cranes were obtained from wind tunnel tests. The probabilistic and spectral models of the fluctuating aerodynamic loads were established. Then the joint probabilistic distributions of dynamic wind-induced responses were derived theoretically based on a series of Gaussian and independent assumption of resonant components. Finally, the results were validated by time domain analysis using wind tunnel data. It is concluded that the assumptions are acceptable. And the presented approach can estimate peak dynamic sliding force, overturning moments and leg uplifts of quayside container cranes effectively and efficiently.
The random vibration of saddle membrane structures under wind load is studied theoretically and experimentally. First, the nonlinear random vibration differential equations of saddle membrane structures under wind loads are established based on von Karman's large deflection theory, thin shell theory and potential flow theory. The probabilistic density function (PDF) and its corresponding statistical parameters of the displacement response of membrane structure are obtained by using the diffusion process theory and the Fokker Planck Kolmogorov equation method (FPK) to solve the equation. Furthermore, a wind tunnel test is carried out to obtain the displacement time history data of the test model under wind load, and the statistical characteristics of the displacement time history of the prototype model are obtained by similarity theory and probability statistics method. Finally, the rationality of the theoretical model is verified by comparing the experimental model with the theoretical model. The results show that the theoretical model agrees with the experimental model, and the random vibration response can be effectively reduced by increasing the initial pretension force and the rise-span ratio within a certain range. The research methods can provide a theoretical reference for the random vibration of the membrane structure, and also be the foundation of structural reliability of membrane structure based on wind-induced response.
In recent years, high-strength, light-weight materials have been widely used in the construction of high-rise buildings. Such structures generally have flexible, low-damping characteristics. Consequently, wind-induced oscillation greatly affects the structural safety and the comfort of the building's occupants. In this research, wind tunnel experiments were carried out to study the wind-induced vibration of a building with a tuned liquid column damper (TLCD). Then, a model for predicting the aerodynamic response in the across-wind direction was generated. Finally, a computing procedure was developed for the analytical modeling of the structural oscillation in a building with a TLCD under the wind load. The model agrees substantially with the experimental results. Therefore, it may be used to accurately calculate the structural response. Results from this investigation show that the TLCD is more advantageous for reducing the across-wind vibration than the along-wind oscillation. When the across-wind aerodynamic effects are considered, the TLCD more effectively controls the aerodynamic response. Moreover, it is also more useful in suppressing the acceleration than the displacement in biaxial directions. As s result, TLCDs are effective devices for reducing the wind-induced vibration in buildings. Parametric studies have also been conducted to evaluate the effectiveness of the TLCD in suppressing the structural oscillation. This study may help engineers to more correctly predict the aerodynamic response of high-rise buildings as well as select the most appropriate TLCDs for reducing the structural vibration under the wind load. It may also improve the understanding of wind-structure interactions and wind resistant designs for high-rise buildings.
The Yingxian wooden tower in China is currently the tallest wooden tower in the world. It was built in 1056 AD and is 65.86 m high. Field measurements of wind speed and wind-induced response of this tower are conducted. The wind characteristics, including the average wind speed, wind direction, turbulence intensity, gust factor, turbulence integral length scale and velocity spectrum are investigated. The power spectral density and the root-mean-square wind-induced acceleration are analyzed. The structural modal parameters of this tower are identified with two different methods, including the Empirical Mode Decomposition (EMD) combined with the Random Decrement Technique (RDT) and Hilbert transform technique, and the stochastic subspace identification (SSI) method. Results show that strong wind is coming predominantly from the West-South of the tower which is in the same direction as the inclination of the structure. The Von Karman spectrum can describe the spectrum of wind speed well. Wind-induced torsional vibration obviously occurs in this tower. The natural frequencies identified by EMD, RDT and Hilbert Transform are close to those identified by SSI method, but there is obvious difference between the identified damping ratios for the first two modes.
This study presents a comprehensive investigation of the aerostatic and buffeting response characteristics of a suspension bridge catwalk. The three-dimensional aerostatic response analysis was carried out taking into account the geometric nonlinearity and nonlinear dependence of wind loads on the angle of attack. The buffeting response analysis was performed in the time domain. The aerostatic and buffeting responses of the catwalk show strong coupling of vertical and lateral vibrations. The lateral displacement is the main component of the wind-induced static and buffeting response of the catwalk.
The yaw and interference effects of blades affect aerodynamic performance of large wind turbine system significantly, thus influencing wind-induced response and stability performance of the tower-blade system. In this study, the 5MW wind turbine which was developed by Nanjing University of Aeronautics and Astronautics (NUAA) was chosen as the research object. Large eddy simulation on flow field and aerodynamics of its wind turbine system with different yaw angles($0^{\circ}$, $5^{\circ}$, $10^{\circ}$, $20^{\circ}$, $30^{\circ}$ and $45^{\circ}$) under the most unfavorable blade position was carried out. Results were compared with codes and measurement results at home and abroad, which verified validity of large eddy simulation. On this basis, effects of yaw angle on average wind pressure, fluctuating wind pressure, lift coefficient, resistance coefficient,streaming and wake characteristics on different interference zone of tower of wind turbine were analyzed. Next, the blade-cabin-tower-foundation integrated coupling model of the large wind turbine was constructed based on finite element method. Dynamic characteristics, wind-induced response and stability performance of the wind turbine structural system under different yaw angle were analyzed systematically. Research results demonstrate that with the increase of yaw angle, the maximum negative pressure and extreme negative pressure of the significant interference zone of the tower present a V-shaped variation trend, whereas the layer resistance coefficient increases gradually. By contrast, the maximum negative pressure, extreme negative pressure and layer resistance coefficient of the non-interference zone remain basically same. Effects of streaming and wake weaken gradually. When the yaw angle increases to $45^{\circ}$, aerodynamic force of the tower is close with that when there's no blade yaw and interference. As the height of significant interference zone increases, layer resistance coefficient decreases firstly and then increases under different yaw angles. Maximum means and mean square error (MSE) of radial displacement under different yaw angles all occur at circumferential $0^{\circ}$ and $180^{\circ}$ of the tower. The maximum bending moment at tower bottom is at circumferential $20^{\circ}$. When the yaw angle is $0^{\circ}$, the maximum downwind displacement responses of different blades are higher than 2.7 m. With the increase of yaw angle, MSEs of radial displacement at tower top, downwind displacement of blades, internal force at blade roots all decrease gradually, while the critical wind speed decreases firstly and then increases and finally decreases. The comprehensive analysis shows that the worst aerodynamic performance and wind-induced response of the wind turbine system are achieved when the yaw angle is $0^{\circ}$, whereas the worst stability performance and ultimate bearing capacity are achieved when the yaw angle is $45^{\circ}$.
In this study, the design method of flexible wing model for gust response measurement wind tunnel test was presented. The design concept proposed herein was validated by modal testing of the flexible wing model manufactured. In addition, aeroservoelastic modeling method for flexible wing model was presented and validated by comparing the gust response analysis results from the method proposed herein with those of commercial software. The gust response characteristics of the flexible wing model was studied by wind tunnel test for measuring the flexible wing gust response due to the induced gust excitation by gust generator. The aeroservoelastic modeling methods proposed and the wind tunnel test results obtained in this study can be applied for wind tunnel testing of the flexible wing for gust response alleviation.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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