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.
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.
Due to the irregular shape and the deviation of stiffness center and gravity center, buildings always suffer from complex surface load and vibration response under wind action. This study is dedicated to analyze the surface wind load and wind-induced response of an irregular building, and to discuss the possibility of top swimming pool as a TLD to diminish wind-induced vibration of the structure. Wind tunnel test was carried out on a hotel with irregular shape to analyze the wind load and structural response under 8 wind incident angles. Then a precise numerical model was established and calibrated through experimental results. The top swimming pool was designed according to the principle of frequency modulation, and equations of motion of the control system were derived theoretically. Finally, the wind induced response of the structure controlled by the pool was calculated numerically. The results show that both of wind loads and wind-induced responses of the structure are significantly different with wind incident angle varies, and the across-wind response is nonnegligible. The top swimming pool has acceptable damping effect, and can be designed as TLD to mitigate wind response.
It is well known that cylinder steel stacks are heavily impacted by vortex-induced vibration. However, the wind-induced vibration behaviors of tower-supported steel stacks are not clarified due to a lack of observation. We studied a stack's response to strong winds over a long period of time by observing the extreme wind-induced vibration of a 200 m-high tower-supported steel stack. This experiment aimed to identify the wind-induced vibration properties of a tower-supported steel stack and assess the validity of the vibration control method used in the experiment. Results revealed a trend in wind-induced vibration behavior. In turn, an effective measure for controlling such vibration was defined by means of increasing the structural damping ratio due to the effects of the tuned mass damper to dramatically decrease the vortex-induced vibration of the stack.
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.
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.
To gain insight into the wind-induced safety concerns associated with attached tower cranes during the construction of super-tall buildings, a 606 m level frame-core tube super-tall building is selected to investigate the wind-induced vibration response and fragility of an outer-attached tower crane at all stages of construction. The wind velocity time history samples are artificially generated and used to perform dynamic response analyses of the crane to observe the effects of wind velocity and wind direction under its working and non-working resting state. The adverse effects of the relative displacement response at different connection supports are also identified. The wind-resistant fragility curves of the crane are obtained by introducing the concept of incremental dynamic analysis. The results from the investigation indicate that a large relative displacement between the supports can substantially amplify the response of the crane at high levels. Such an effect becomes more serious when the lifting arm is perpendicular to the plane of the connection supports. The flexibility of super-tall buildings should be considered in the design of outer-attached tower cranes, especially for anchorage systems. Fragility analysis can be used to specify the maximum appropriate height of the tower crane for each performance level.
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.
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.
Proceedings of the Computational Structural Engineering Institute Conference
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2004.10a
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pp.43-51
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2004
As the slenderness ratio of a high-rise building increases, the lateral load resisting system for the building is more often determined by serviceability design criteria. In serviceability design, the maximum drift and the level of vibration are controlled not to exceed the design criteria. Even though many drift method have been developed in various forms, no practical design method for wind induced vibration has been developed so far. Structural engineers rely upon heuristic or experience in designing wind induced vibration. Development of practical design method for wind induced vibration is required. Generally, wind induced acceleration responses are depending on several variables such as the weight density of a building, damping ratio, the natural period, and etc.. All parameters except the natural period or frequency are usually out of reach for structural engineers, then the wind acceleration response may be proportioned to the natural period. Therefore, in this paper, a wind induced vibration design method based on frequency control technique for high-rise is proposed. The method is applied to vibration design of a 25-story office building for performance evaluation.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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