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Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 14236 (2023) Citare questo articolo

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Questo studio ha utilizzato la simulazione 3D del grande vortice per studiare la forza di resistenza del vento trasversale su un cilindro quadrato soggetto a fluttuazione trasversale del vento. Per generare la fluttuazione sono stati impiegati due metodi distinti: una funzione sinusoidale prescritta al confine dell'ingresso e una barriera controvento. La frequenza è stata normalizzata nella stessa forma del numero di Strouhal. La fluttuazione trasversale del vento con frequenza normalizzata superiore a 0,05 tende ad eccitare trasversalmente il cilindro quadrato con la stessa banda di frequenza. L'effetto della frequenza esiste anche sul cilindro quadrato situato sottovento rispetto a un ostacolo grande la metà del cilindro quadrato. Tuttavia, un ostacolo grande 2,5 volte il cilindro quadrato genera una fluttuazione del vento trasversale con una frequenza normalizzata di 0,04, che non può eccitare trasversalmente il cilindro quadrato. L'effetto di frequenza della barriera controvento si attenua in modo significativo con la distanza e scompare a 8-10 volte la dimensione del cilindro quadrato.

Poiché l’uso di materiali leggeri in architettura continua a crescere parallelamente allo sviluppo economico e tecnologico, la questione della mitigazione della risposta ai venti trasversali negli edifici a molti piani è diventata sempre più importante per la sicurezza e la vivibilità1. Quando forti venti si avvicinano all'edificio, le turbolenze e i vortici di scia possono causare carichi indotti dal vento nella direzione trasversale degli edifici alti2,3,4,5. Quando la rigidezza dell'edificio diminuisce, la frequenza di distacco dei vortici caratterizzata dal numero di Strouhal (St) può avvicinarsi alla frequenza intrinseca della struttura dell'edificio. All’aumentare della velocità del vento, la frequenza di vibrazione della struttura segue la frequenza di distacco dei vortici. Una volta che si verifica il blocco della frequenza, la frequenza di vibrazione si blocca nella frequenza naturale, con l'ampiezza del movimento che aumenta in modo significativo rispetto allo stato di non blocco6,7. È quindi fondamentale studiare la risposta dinamica degli edifici nella direzione trasversale alle azioni del vento e prevedere le condizioni che portano allo stato di blocco, garantendo così il funzionamento sicuro dei grattacieli6,7,8,9,10 ,11.

Secondo il CTBUH Global Tall Buildings Database12, la Cina è alla guida del trend della manhattanizzazione, con 51 dei 100 migliori grattacieli del mondo completati a livello nazionale e 6 dei 10 grattacieli più alti situati lì. Questa centralizzazione di grattacieli modifica le fluttuazioni del carico del vento subite dalla struttura. Inoltre, l’effetto degli ostacoli a distanza ravvicinata rende difficile prevedere le forze eccitate dai vortici che agiscono sui grattacieli. Questo fenomeno si osserva anche nelle strutture a travi scatolari di ponti di lunga campata, con le fluttuazioni della velocità del vento che non riescono ad aderire alla distribuzione normale anche su scale più grandi13,14. La correlazione tra le vibrazioni indotte dai vortici (VIV) dei grattacieli e le fluttuazioni del vento sulla superficie della struttura è insufficiente. La fluttuazione del campo del vento può causare nel tempo fluttuazioni di pressione sulla superficie dell'edificio, rendendo la risposta alle vibrazioni del vento in presenza di campi di vento fluttuanti una questione scientifica critica15.

Inoltre, la maggior parte dei grattacieli tende a trovarsi in aree urbane edificate, come i quartieri centrali degli affari (CBD). A causa dell’elevata variabilità della superficie sottostante nelle aree urbane, l’interazione della quantità di moto tra il flusso d’aria e gli edifici si traduce in complesse caratteristiche turbolente spaziali e temporali. È difficile ottenere previsioni VIV affidabili basate su dati misurati limitati o sul profilo logaritmico medio della velocità del vento come condizioni al contorno dell’ingresso9. Pertanto, è essenziale sviluppare una comprensione più profonda dell’impatto delle fluttuazioni del campo eolico sui grattacieli, soprattutto negli ambienti urbani.

In questo studio, abbiamo condotto simulazioni di vortici di grandi dimensioni (LES) per studiare la forza eccitata dal vortice (VEF) di un cilindro quadrato sottoposto a fluttuazioni trasversali del vento. Le fluttuazioni trasversali del vento sono generate in due modi: una velocità trasversale del vento fluttuante periodica utilizzata da una funzione sinusoidale e una barriera installata sopravento. Viene analizzata la frequenza della forza eccitata dal vortice sul cilindro quadrato e viene discussa l'influenza della fluttuazione del vento trasversale. Questo studio fornisce informazioni sulla forza di resistenza del vento trasversale di un cilindro quadrato sotto campi di vento fluttuanti.