The rapid growth of high-rise high-density urban areas in coastal and near coastal, hurricane-prone cities has been observed globally and in the United States in recent decades. Favored by modern urban growth and planning policies, this trend is expected to accelerate in future. Recent climate change studies suggest a significant increase in the destructiveness of hurricanes in past 30 years by both increases in lifetime and intensity of hurricanes. Current prescriptive wind design approach does not provide transparent methods and criteria to reliably quantify the performance of buildings as well as the functional requirements necessary to accommodate large populations during extreme wind. Since this approach primarily intends to keep the structural system essentially elastic, the more efficient design may be achievable by allowing controlled inelasticity in structural components. All these facts put a great emphasis on using a reliable wind design and assessment approach evidently describing the performance of high-rise building to wind loads beyond the current design wind loads. This dissertation presents the development of a wind performance-based engineering approach and its practical implementation for three, 47-, 40- and 30-story steel moment frame high-rise buildings. In this study, the nonlinear dynamic responses of the buildings to different wind hazard levels were evaluated by developing 3D nonlinear finite element models and utilizing a wind incremental dynamic analysis (IDA) approach. The wind loading for the 47-story building was measured by conducting wind pressure testing on a scaled rigid model at the Wall of Wind (WOW) facility at Florida International University. For two other buildings wind loads were acquired using TPU Aerodynamic Database. Using the IDA results and adopting available wind performance criteria, a wind performance assessment approach was developed representing the estimated performance levels as a function of the basic wind speed. Three types of wind performance were evaluated: structural component performance; cladding performance to wind-induced shear deformation; and serviceability motion comfort performance. This evaluation indicated remarkable lateral capacity associated with allowing controlled structural nonlinearity, in contrast to considerations required to assure acceptable serviceability and non-structural (e.g. cladding) performances.

Abstract The main objective of this research was to develop practical tools with which it is possible to improve the environment, micro-climate and energy economy of buildings and plans in different climate zones, and take the climate change into account. The parts of the study are: – State of art study into existing know-how about climate and planning. – Study of the effects of climate change on the built environment. – Development of simple micro-climate, nature and built environment analysis methods. – Defining the criteria of an acceptable micro-climatic environment. – Development of the wind test blower. – Presenting ways to interpret test results and draw conclusions. – Development of planning and design guidelines for different climate zones. An important part of the research is the development of the CASE wind test instrument, different wind simulation techniques, and the methods of observing the results. Bioclimatic planning and architectural design guidelines for different climate zones are produced. The analyse tools developed give a qualitative overall view, which can be deepened towards a quantitative analyse with wind testing measurements and roughness calculations. No mechanical rules are suggested, but complementary viewpoints and practices introduced to a normal planning process as well as improvement of consultative knowledge. The “method” is that there is no strict mechanical method, but a deeper understanding of bioclimatic matters. Climate-conscious planning with the developed CASE method, make it possible to design a better micro-climate for new or old built-up areas. Winds can be used in to ventilate exhaust fumes and other pollutants, which improves the quality of air and the healthiness of the urban environment. The analyses and scale-model tests make it possible to shield cold windy areas and to diminish the cooling effect of wind on facades. According to studies in Scandinavian countries this will bring energy savings of 5–15 per cent. The method can be used to: – Evaluation of the cooling effect of wind. Areas and facades exposed to wind. – Evaluation of the wind comfort at the pedestrian level. Windy areas, relative wind speeds. – Enhancing wind-forced ventilation. Positive and negative pressures at the inlets and outlets. – Analysis of the diffusion of pollutants. Ventilation of streets and areas. – Avoiding the damages caused by wind. Planning and designing wind protective solutions. – Characterisation of the wind loading of small and medium-size street architecture items. Designing wind resistant and protective items and plantings. – Analysing the drifting of snow. Placing of snow fences. / Tiivistelmä Tutkimuksen päätavoitteena oli kehittää käytännöllisiä suunnitteluvälineitä, joilla voidaan parantaa ympäristöä, mikroilmastoa sekä rakennusten ja kaavojen energiataloutta eri ilmastovyöhykkeissä, sekä varautua ilmaston muutokseen. Tutkimuksen osat ovat: – Selvitys tämän hetkisestä ilmastoon ja suunnitteluun liittyvästä osaamisesta. – Selvitys ilmaston muutoksen vaikutuksesta rakennetulle ympäristölle. – Yksinkertaisten mikroilmasto-, luonto- ja rakennetunympäristön analyysien kehittäminen. – Määritellä hyväksyttävän mikroilmaston kriteerit. – Kehittää pienoismallien tuulitestauslaite. – Kehittää metodit testitulosten analysoimiseksi ja johtopäätösten vetämiseksi. – Laatia kaavoitus- ja rakennussuunnitteluohjeet eri ilmastovyöhykkeille. Tärkeä osa tutkimusta oli CASE tuulitestauslaitteen, erilaisten tuulen simulointitekniikoiden ja testausten havainnointimenetelmien kehittäminen. Kehitettiin bioklimaattisen kaavoituksen ja arkkitehtisuunnittelun suunnitteluohjeet eri ilmastovyöhykkeisiin. Kehitetyt analyysimenetelmät antavat laadullisen yleiskuvan, jota voidaan syventää määrällisen analyysin suuntaan käyttämällä tuulitestausmittauksia ja karheuslaskelmia. Mitään mekaanisia metodeita ei ehdoteta, vaan halutaan lisätä tieto-taitoa sekä uusia näkökulmia ja työtapoja nykyisiin kaavoitus- ja konsultointikäytäntöihin. ”Metodi” on siinä, ettei ole mitään kaavamaista metodia, vaan bioklimaattisten tekijöiden syvempi ymmärtäminen. Kehitetyn CASE metodin mukaisella ilmastotietoisella suunnittelulla voidaan aikaansaada parempi mikroilmasto sekä uusilla että vanhoilla rakennetuilla alueilla. Tuulen avulla voidaan tuulettaa pakokaasut ja muut ilmansaasteet, ja näin parantaa rakennetun ympäristön ilmanlaatua ja terveellisyyttä. Analyysien ja pienoismallien tuulitestauksen avulla voidaan suojautua kylmiltä tuulilta ja vähentää tuulen julkisivuja jäähdyttävää vaikutusta. Skandinaavisten tutkimusten mukaan näin voidaan saavuttaa 5–25 prosentin energiansäästö. Metodia voidaan käyttää mm. seuraaviin tarkoituksiin: – Arvioida tuulen jäähdyttävää vaikutusta. Selvittää tuulelle alttiit alueet ja julkisivut. – Arvioida tuulen vaikutusta jalankulun mukavuuteen. Tuuliset alueet ja suhteelliset tuulennopeudet. – Tehostaa painovoimaista ilmanvaihtoa. Positiiviset ja negatiiviset paineet ilmastoinnin sisäänmeno- ja ulostuloaukoissa. – Analysoida saasteiden leviämistä. Katujen ja alueiden tuulettaminen. – Torjua tuulen aiheuttamia tuhoja. Kaavoittaa ja suunnitella tuulelta suojaavia ratkaisuita. – Luonnehtia pieniin ja keskikokoisiin ulkona oleviin rakenteisiin kohdistuvia tuulikuormia. Suunnitella tuulenkestäviä ja suojaavia rakennelmia ja istutuksia. – Analysoida lumen kinostumista. Lumiaitojen sijoittelu.