Analysis of open canopy structures with parapets under wind

Abstract

A literature review shows that there is a lack of information on the wind load pressures acting on canopy structures with a parapet on the roof perimeter. On the other hand, a large number of those structures suffered catastrophic damages due to hurricanes, for example during Hurricanes Katrina and Rita in 2005. The latest version of the predominant standard and commentary for wind design in the eastern part of the US, the ASCE 7-05, introduced for the first time the issue of open structures. However, the code recommendations do not address open structures with parapets. In this research, the author addresses the problem using two different (but complementary) approaches: a numerical simulation using Computational Fluid Dynamics (CFD) and wind tunnel testing. Values of pressure coefficients, Cp and Cn, were obtained with the use of both methods, on top and bottom surfaces of the open canopy, and windward and leeward surfaces for parapets, showing that the obtained values had good agreement between both methodologies. With the use of CFD, parametric studies further explore different plan geometries and incremental parapet heights in order to obtain extreme Cn values. The obtained extreme values were implemented on four case studies of collapsed open canopy structures, due to Hurricanes Rita and Katrina in 2005. With the use of structural analysis software, the structural members suffering extreme stresses, were identified and compared with the actual collapsed structures on the case studies selected. Structural design procedure is suggested for the analysis of open canopy structures with parapets and is implemented on each of the cases studied.

La revisión de la literatura demuestra la falta de información disponible sobre las presiones de viento actuando sobre estructuras abiertas con parapetos en la periferia del techo de las mismas. Por otra parte, un gran número de este tipo de estructuras sufren daños catastróficos, por ejemplo durante los Huracanes Katrina y Rita que ocurrieron en el año 2005. La más reciente versión del estándar y comentario en la parte Este de los Estados Unidos el ASCE 7-05, introdujo por vez primera el tema de las estructuras abiertas. Es de notar, que las recomendaciones de este código no incluyen las estructuras abiertas con parapetos. En esta investigación, el autor investiga el problema usando dos enfoques distintos, pero complementarios: Usando Dinámica Computacional de Fluidos (CFD) y pruebas hechas en un túnel de viento, valores de presión, Cp y Cn fueron obtenidos con el uso de ambos métodos, en las superficies superiores e inferiores de la estructura abierta, y sotavento y barlovento en las superficies de los parapetos, siendo los valores obtenidos muy parecidos entre ambas metodologías. Mediante el uso de CFD, estudios paramétricos exploran más profundamente diferentes geometrías en planta y diferentes alturas para poder obtener valores Cn extremos. Estos valores son entonces implementados en estudio de casos particulares, de estructuras abiertas que colapsaron debido a los efectos de los Huracanes Katrina y Rita en el año 2005. Con el uso de un programa de análisis de estructuras, miembros que sufrieron esfuerzos máximos, pudieron ser identificados y comparados con las estructuras colapsadas en los casos seleccionados. Un procedimiento de diseño estructural para estructuras abiertas con parapetos es sugerido e implementado para cada uno de los casos estudiados.