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Probabilistic Dynamics of Wind Excitation on Glass Facade

Nakagami, Yukako :
Probabilistic Dynamics of Wind Excitation on Glass Facade.
[Online-Edition]
TU Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2003)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Probabilistic Dynamics of Wind Excitation on Glass Facade
Language: English
Abstract:

In recent years there are many buildings the facades of which are filled with glass material. As this tendency continues, new types of glass material, support system and structure have been developed. On the other hand, wind is one of the main loads on the glass facades and it is a dynamic load. However, dynamic character of these new facades are not known and glass is known to have low damping. The danger of vibrations on glass facades caused by wind is pointed out. The first aim of this study is to estimate the dynamic character of the glass facade and to obtain the dynamic wind load on a glass facade. First, the characters of natural dynamic wind were studied and velocity pressure of natural wind was numerically produced. Vibration of the glass facades under fluctuating natural wind were simulated in time series. The simulation has been carried out on glass facades with ESG (Einscheiben-Sicherheits-Glas; Single Panel Safety Glass), with areas of 2.5-6.0m2. The glass plates are along the edges linearly supported or at the points by the fittings. The results of the time series simulations were transformed into spectra by FFT(Fast Fourier Transform). In the spectrum of the deformation of the large surface area and point-support glass, the resonance effect are recognized around the first natural frequency of the facades. By using results of the time series calculation of motion of the facade, the motion-induced wind load is calculated backwards. The sum of the fluctuating natural wind load and the motion-induced wind load is the total wind load which acts on the facade element. The problem of fatigue for the glass material is pointed out and a fatigue analysis is needed. For the fatigue analysis of glass, the S-N curve (Wöhler curve) and loading-cycle are necessary. The second aim of this thesis is to estimate the loading-cycle of wind during the lifetime of the facade. There are a few counting methods of the loading-cycle from a time series random force. But in this study a new method to make a loading-cycle model from a spectrum of the load is suggested. By using the spectrum, frequency information is well reflected in the loading-cycle model. First, the loading-cycle of 10 minutes under each wind condition was calculated by using this new method. Then the loading cycle model which is equivalent to the entire lifetime of the structure is probabilistically derived. Appearance ratio of the 10 minute mean wind velocity is known to fit the Weibull distribution. Considering a loading-cycle of each 10-minute wind and the appearance ratio of these wind conditions, the loading cycle model of 50 years can be calculated. By using this method, loading-cycles on glass facades built at heights of 20 m and 50 m for buildings that are located in Frankfurt and Hamburg were calculated.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
In den letzten Jahren sind viele Gebäude mit Glasfassaden gebaut worden. Durch diese Tendenz sind neue Glasmaterialien, Lagerung- und Tragsystem entwickelt worden. Wind ist eine der Hauptlasten auf Glasfassaden. Die Windlast ist eine dynamische Last, jedoch sind die dynamischen Eigenschaften der neuen Glasmaterialien noch nicht bekannt. Außerdem besitzt das Material Glas eine niedrige Dämpfung. Auf die Gefahr von Schwingungen in Glasfassaden wird hingewiesen. Das erste Ziel dieser Arbeit ist es, die dynamischen Eigenschaften der Glasfassade und Windlast zu erhalten. Zunächst sind die dynamischen Eigenschaften des Windes in der Atmosphäre untersucht worden. Der Geschwindigkeitsdruck wurde numerisch reproduziert. Danach wurden die Schwingungen eines Glasfassadenelements unter wechselnden Windlasten im Zeitbereich simuliert. Die Simulation der Glasfassade wurde anhand von Einscheiben-Sicherheits-Glas (ESG) Elementen mit einer Fläche von 2,5-6,0 m2 durchgeführt. Die Glasscheiben wurden entlang des Randes liniengelagert oder punktgelagert. Die Ergebnisse wurden mit Hilfe der Fast-Fourier-Transformation vom Zeit- in den Frequenzbereich überführt. Im Spektrum der Verformung eines punktgelagerten, großflächige Fassadenelements lässt sich ein Resonanzeffekt bei der ersten Eigenfrequenz erkennen. Aus den Ergebnissen im Zeitbereich wurde auf die, durch die Bewegung der Glasscheibe entstehende, induzierte Windkraft rückgeschlossen. Die gesamte Windkraft setzt sich zusammen aus der wechselnden Windkraft und der von der Bewegung induzierten Kraft. Das Problem der Ermüdung des Glasmaterials macht eine Ermüdungsanalyse erforderlich. Für eine Ermüdungsanalyse ist die Kenntnis der Wöhlerlinie und der Lastkollektive erforderlich. Das nächste Ziel der Forschung ist es, die Lastkollektive für die Lebensdauer einer Fassade zu bestimmen. Es gibt einige Methoden, um von einer zeitlichen unregelmäßigen Belastung auf ein Lastkollektiv zu schließen. Im Rahmen dieser Arbeit wurde eine neue Methode entwickelt, um aus einem Spektrum ein Lastkollektiv zu bestimmen. Zunächst wurden Lastkollektive, die durch eine zehnminütige variable Windlast unter bestimmten Windbedingungen hervorgerufen wurden, berechnet. Danach wurde ein Lastkollektiv, das die lebenslange Windbelastung beschreibt, wahrscheinlichkeitstheoretisch berechnet. Die Weibull-Verteilung beschreibt die Wahrscheinlichkeitsverteilung der mittleren Windgeschwindigkeit sehr gut. Mit den einzelnen Lastkollektiven und deren jeweiliger Wahrscheinlichkeit wurde das Lastkollektiv für eine lebenslange (50 Jahre) Windbelastung bestimmt. Mit dieser Methode sind Lastkollektive für Fassaden in 20 und 50 m Höhe für Gebäude in Frankfurt und Hamburg berechnet worden.German
Uncontrolled Keywords: Fassade, Zeitreihen, Simulation, Bewegungsinduzierte Windlast, Ermüdungsanalyse, Lastzyklen, Wahrscheinlichkeitsanalyse
Alternative keywords:
Alternative keywordsLanguage
Fassade, Zeitreihen, Simulation, Bewegungsinduzierte Windlast, Ermüdungsanalyse, Lastzyklen, WahrscheinlichkeitsanalyseGerman
facade, time series, simulation, motion induced wind load, fatigue analysis, loading cycle, probabilistic analysisEnglish
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: Fachbereich Bauingenieurwesen und Geodäsie
Date Deposited: 17 Oct 2008 09:21
Last Modified: 07 Dec 2012 11:49
Official URL: http://elib.tu-darmstadt.de/diss/000343
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-3436
License: Simple publication rights for ULB
Referees: Wörner, Prof.Dr.-I Johann-Dietrich and Zanke, Prof. Dr.- Ulrich C. E.
Advisors: Wörner, Prof.Dr.-I Johann-Dietrich
Refereed: 3 April 2003
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/343
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