Wind engineering

798 views

Published on

0 Comments
0 Likes
Statistics
Notes
  • Be the first to comment

  • Be the first to like this

No Downloads
Views
Total views
798
On SlideShare
0
From Embeds
0
Number of Embeds
3
Actions
Shares
0
Downloads
0
Comments
0
Likes
0
Embeds 0
No embeds

No notes for slide

Wind engineering

  1. 1. Mohammed Zaid  “ Wind Tunnel Test for structures”  W affects the way that wind acts on  ind  structures. In addition, buildings and  structures induce additional  Tunnel  fluctuations in the flow, which mean  that pressures fluctuate constantly  Test  over the surfaces of buildings. This is  why pressures on buildings reduce as  the averaging area increases. Thus, a Introduction  simple summation of peak local  T  here are two generally‐used  pressures would result in vast  methods for determining wind  overestimates of the maximum  loads on buildings and  overall pressure acting on a building  structures:  at a given instant in time. Early in the  history of wind engineering, it was  1‐  code‐based design and  recognised that it was necessary to  2‐  wind tunnel testing.   take account of these turbulent  fluctuations in order to accurately  While code‐based methods may be  predict loads. This is the reason why  adequate for the majority of buildings  wind tunnel testing of buildings and  and structures, there are a number of  structures must be conducted in what  cases where code approaches are not  are known as boundary layer wind  suitable, or alternatively can result in  tunnels. This type of wind tunnel is  excessively conservative design. The  designed to model the characteristics  following paragraphs will give a basic  of the natural wind as it approaches  guide to the background of each to  the model being tested. Wind loading  assist the designer in understanding  codes and standards also take  when each approach may be  account of these fluctuations in an  appropriate for a given project, or to  analytical manner.   recognise when it may be beneficial  to seek specialist wind engineering  The wind characteristics (variation of  advice.  wind speed with height, and  turbulence characteristics) at a site Background to Wind Loading  are dependent on the storm type  being considered, the local terrain,  Wind loads on buildings and  and the effects of surrounding  structures have two components that  buildings. Design wind speeds for a  are of interest to designers: global  given site need to take account of a  wind loads that will affect the design  wind climate analysis, and then  of the main structural elements and  adjusted for the effects of terrain and  local loads that will affect  roughness. Typically, wind climate  components such as secondary  analyses are based on long‐term  members or the cladding of the  meteorological records at local  building envelope. The wind is  airports or other meteorological  turbulent in nature, and this gustiness  stations. M_as@hotmail.com M_as3@yahoo.com   
  2. 2. Mohammed Zaid  “ Wind Tunnel Test for structures”   Overall wind loads for structural  with strengths and weaknesses. One  design may also need to take account  key commonality that almost all  of wind‐induced dynamic responses  contain is that they define wind  for flexible structures such as masts,  speeds and loading coefficients, as  large roofs, and tall buildings. There  well as a number of other necessary  are a number of different types of  parameters. One area where they  responses that need to be considered.  differ, though, is that wind speeds are  For example, for tall buildings it is  defined differently in different codes,  necessary to cover along‐wind  and the coefficients and other  response (responses in the direction  parameters may differ in order to  of the wind, caused by turbulent  work with the wind speed definitions  buffetting), crosswind response  in determining the correct results. For  (responses orthogonal to the wind  this reason, it is not advisable to  direction, and caused by vortex‐ combine values of different  shedding), and torsional responses  components from different wind  resulting in twisting of the building.  loading codes unless the basis of the  The magnitude of these responses is  component values is fully understood.  very dependent on the dynamic  structural properties of the building  The intent of wind loading codes is to  such as the natural frequencies, mode  provide design values that envelope  shapes, and structural damping  the majority of building designs within  values.  the limitations of the code. Usually,  codes will give guidance on their  Overall, the loads on a dynamic  applicability and when further advice  structure comprise three major  may be sought. The majority of the  components: mean, background, and  science contained in wind loading  resonant. The mean loads are the  codes has been developed through  average loads that occur as a result of  wind tunnel testing, and wind tunnel  a static response to the mean wind  testing has also been the source of  speed. The background response is a  almost all of the loading coefficients.  quasi‐static response as the structure  The values from a number of wind  responds to the gusts in the wind. The  tunnel tests are then enveloped to  resonant response is due to the  cover the majority of building shapes.  structure vibrating at its natural  However, it needs to be recognised  frequencies due to excitation by the  that wind loading codes and  wind flow around it.  standards are not intended to be  applicable to all buildings and   structures, rather they are intended  to cover the majority of cases but may Wind Loading Codes and  not give adequate design loads for  unusual shapes or configurations that Standards  fall outside the scope of the code.  There are many wind loading codes  and standards around the world, each M_as@hotmail.com M_as3@yahoo.com   
  3. 3. Mohammed Zaid  “ Wind Tunnel Test for structures”   Two key differences between wind  Wind tunnel tests must be conducted  loading codes when it comes to the  in a boundary layer wind tunnel  design of tall buildings are the  where the characteristics of the  considerations of torsional responses  natural wind are modelled in the wind  and crosswind responses. Some codes  tunnel. This is usually achieved by a  have only very simple or no  combination of spires, trip boards,  consideration of torsional responses.  and floor roughness over a long fetch  Of the few codes that consider  of the tunnel upwind of the test  crosswind response, some have  section. Often these combinations of  analytical approaches based on wind  boundary layer generating elements  tunnel tests of isolated tall buildings  are changed for different wind  of simple shape, while others have a  directions depending on the terrain  more empirical approach. Neither  upwind of the site. Typically, wind  approach is particularly accurate,  loading and cladding pressure tests  although research literature may  are conducted for thirty six wind  provide additional relevant  directions at equally spaced  information.  increments. Normal length scales for  building testing are usually between  Most wind loading codes and  1:200 and 1:500. The output of the  standard explicitly provide for wind  wind tunnel tests can be presented as  tunnel testing as an alternative route  coefficients relative to a reference  to compliance.  wind speed or pressure. The reason  that boundary layer wind tunnel Wind Tunnel Testing  testing works at small scale is that  these coefficients are the same in  Wind tunnel tests can be used to  model and full‐scale, as long as a basic  determine overall wind loads and  minimum wind speed (or more  local cladding pressures. Properly  correctly Reynolds Number) is  conducted wind tunnel tests should  achieved in the wind tunnel.  provide more accurate results than  can be obtained from the use of wind  Local pressures and cladding loads are  loading codes. In many cases, this can  determined through pressure testing.  result in lower loads and pressures. It  This requires a model of the building  should, however, be recognised that  or the structure to be tested with  wind tunnel testing can also produce  adequate pressure taps (points where  higher loads and pressures than  the pressures are being measured) to  would be obtained from code  capture the peak pressures in  approaches. When this occurs, it  different areas of the building or  ensures that the resulting design will  structure. This requires an increased  have an adequate level of design  density of pressure taps in areas  reliability, and reduces the risks of  where the pressures are expected to  failure.  be largest or large pressure gradients  are expected to exist. This typically  means a higher number of pressure M_as@hotmail.com M_as3@yahoo.com   
  4. 4. Mohammed Zaid  “ Wind Tunnel Test for structures”   taps close to building corners and  the model as an analogue mechanical  other architectural discontinuities.  integrator of the wind pressures. In  this case, the key is to use as light and  Overall structural loads and responses  stiff a model as possible to ensure  can be determined in a number of  that the combined balance/model  ways. The simplest approach for non‐ natural frequency is much higher than  dynamic sensitive structures such as  the scaled natural frequency of the  low‐rise buildings is to integrate the  prototype building. This is to avoid  pressures over the building. This  contamination of the signal by  requires adequate pressure taps to  model/balance resonance at the  quantify the pressure fields over the  frequencies of interest for  building, and time histories of the  determining the response of the  pressures. Time histories of the  building. Models for this type of test  overall loads on the building can thus  may be constructed from materials  be determined and key load effects  such as high density expanded foam  (such as base shears or bending  or balsawood. This type of test is  moments) can be identified using  recommended for buildings with very  areas of influence associated with  complex architecture or with  each discrete pressure tap.   floorplates that do not allow sufficient  When dynamic responses are  pressure tubes to be extracted  anticipated, then the same pressure  simultaneously.  integration approach can be  The final type of test for tall buildings,  employed but with the added step of  or wind sensitive components, is  calculating the resonant response  conducted much less frequently and  component. This is done using  is the aeroelastic test. In this type of  dynamic properties (natural  test, the model/test rig incorporates  frequencies, mode shapes, mass  the scaled dynamic characteristics of  distributions, and damping ratios)  the prototype structure. Because of  provided to the wind engineer by the  this, the model will vibrate in the  structural engineer. This approach is  wind tunnel and loads and responses  the method that allows the most  can be measured directly. This  accurate floor‐by‐floor distribution of  approach has the advantage of  structural loads, but is best suited to  measuring the full effects of  buildings where the architecture is  aerodynamic damping, but the  relatively straightforward and a large  disadvantage that the results may be  number of pressure tubes can be  of more limited use if the structural  extracted from the model  dynamic characteristics change  simultaneously.  through the design process after the  The other common approach to  wind tunnel testing has been  determining wind loads on structures  conducted. This type of test is  is to mount them on a high‐frequency  normally only used where there is the  balance. This measures loads at, or  potential for negative aerodynamic  near, to the base of the building using  damping where the building or M_as@hotmail.com M_as3@yahoo.com   
  5. 5. Mohammed Zaid  “ Wind Tunnel Test for structures”   component motion starts to drive the  American Society of Civil Engineers  excitation mechanism leading to  (1999): ASCE Manual on Engineering  potential aerodynamic instabilities.  Practice No. 67 ‐ Wind Tunnel Model  Studies of Buildings and Structures  A complete guide to wind tunnel  testing can be found in ASCE Manual  Australian Wind Engineering Society  of Practice No. 67, and basic  (2001) : AWES‐QAM‐1‐2001, Wind  minimum standards are published in  Engineering Studies of Buildings  AWES QAM‐1‐2001. The Council on  Tall Buildings and Urban Habitat will  Council on Tall Buildings and Urban  also shortly publish a Guide to Wind  Habitat (in preparation): Guide to  Tunnel Testing of Tall Buildings.  Wind Tunnel Testing of Tall Buildings   When to use Wind Tunnel Testing  Wind tunnel testing should be used when:  1. The building or structure is of a  complex, unusual, or irregular  shape not covered by simplified  wind loading codes; or  2. The building or structure has  response characteristics that  make it susceptible to crosswind  loading, vortex shedding,  aerodynamic instabilities such as  3D view of 55 Floor structure during wind tunnel testing galloping or flutter; or     3. The building or structure is sited  such that it is particularly  sensitive to potential channelling  or buffeting due to upwind  obstructions; or  4. Where the building designers  wish to design with the maximum  economy consistent with  reliability. References M_as@hotmail.com M_as3@yahoo.com 

×