مهندسی مکانیک مدرس

مهندسی مکانیک مدرس

بررسی عددی رفتار آئروالاستیک ساختمان‌های بلند با لحاظ اندرکنش سازه و باد

نوع مقاله : پژوهشی اصیل

نویسندگان
گروه مهندسی عمران، دانشکده فنی و مهندسی، دانشگاه محقق اردبیلی، اردبیل، ایران
چکیده
کاربرد دینامیک سیالات محاسباتی به‌منظور ارزیابی عددی آثار باد بر ساختمان‌های بلند با توجه به افزایش توان محاسباتی رایانه‌ها در سال‌های اخیر در حال توسعه است. با توجه به ریزش‌های گردبادی پیرامون ساختمان‌های انعطاف‌پذیر، لاغر و بلند ناشی از جریان باد با اعداد رینولدز نسبتاً بالا، بررسی رفتار آئروالاستیک ساختمان‌های بلند امری ضروری است. در این مقاله، جریان آشفته باد با ۴ سرعت متفاوت پیرامون ساختمان بلند استاندارد CAARC به‌صورت عددی شبیه‌سازی شده است. از مدل شبیه‌سازی گردابه‌های بزرگ برای لحاظ اثر آشفتگی در حل معادلات جریان استفاده شده و پاسخ ساختمان‌های بلند به نیروهای حاصل از باد با حل معادله دیفرانسیل حرکت تعیین شده است. به‌منظور انتقال داده‌ها بین دو حوزه حل سیالاتی و سازه‌ای در هر گام زمانی، از روش کوپل‌شدگی دوطرفه استفاده شده‌ است. طبق نتایج حاصل از شبیه‌سازی عددی، ضرایب فشار، خطوط جریان و میدان فشار لحظه‌ای پیرامون ساختمان بلند مطابقت خوبی با مشخصه‌های متداول جریان پیرامون اجسام هوابند دارد. سرعت بحرانی متناظر با پدیده قفل‌شدگی در این مساله با استفاده از عدد استروهال، برابر با ۱۰۰متر بر ثانیه محاسبه شده است. همچنین تاریخچه زمانی جابه‌جایی بام ساختمان در جهت باد و عمود بر امتداد آن به‌ازای سرعت‌های متفاوت وزش باد استخراج شده و به‌ترتیب میانگین و انحراف‌معیار آنها محاسبه شده است. افزایش مداوم دامنه نوسان‌های عرضی ساختمان تحت وزش باد با سرعت ۱۰۰متر بر ثانیه مشاهده شده است. این نکته بیانگر کارآیی و قابلیت فرآیند عددی حاضر در تشخیص ناپایداری آئروالاستیک به‌ازای سرعت پیش‌بینی‌شده است.
کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله English

Numerical Investigation of Aeroelastic Behavior of Tall Buildings Considering Wind-Structure Interaction

نویسندگان English

M. Shirzadeh Germi
H. Eimani Kalehsar
Civil Engineering Department, Engineering Faculty, University of Mohaghegh Ardabili, Ardabil, Iran
چکیده English

The application of computational fluid dynamics is being developed in recent years in order to evaluate the numerical impact of wind damage on high-rise buildings due to the increasing computing power of computers. With regard to the turbulent downturns around flexible, slender and long-winded buildings with relatively high Reynolds numbers, the study of aeroelastic behavior of tall buildings is essential. In this paper, the turbulent wind flow is simulated numerically with four different velocities around the high standard CAARC building. Large Eddy Simulation has been used to solve the turbulence effect in solving fluid flow equations and the response of tall buildings to wind forces is determined by solving the differential equation of motion. A two-way coupling method is used to transfer data between two areas of fluid and structural solution in each step of time. According to the results of the numerical simulation, the pressure coefficients, streamlines and instantaneous pressure field around the tall building are in good agreement with the common characteristics of the flow around the airborne objects. The critical speed corresponding to the lock in phenomenon in this problem is calculated using a Strouhal number equal to 100m/s. Also, the history of displacement of the roof of the building in the direction of the wind and perpendicular to its length have been extracted for different wind velocities and the mean and their standard deviations respectively have been calculated. The continuous increase in the range of the fluctuations of the building under the wind blowing at 100m/s is observed. This point indicates the efficiency and capability of the numerical process in detecting aeroelastic instability with a predicted speed.

کلیدواژه‌ها English

Computational Fluid Dynamics
Fluid-Structure Interaction
Wind Engineering
Lock-in
Large Eddy Simulation
Baker CJ. Wind engineering-Past, present and future. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics. 2007;95(9-11):843-870. [Link] [DOI:10.1016/j.jweia.2007.01.011]
Blocken B. 50 years of computational wind engineering: Past, present and future. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics. 2014;129:69-102. [Link] [DOI:10.1016/j.jweia.2014.03.008]
Murakami S. Computational wind engineering. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics. 1990;36(Part 1):517-538. [Link] [DOI:10.1016/0167-6105(90)90335-A]
Tamura T. Towards practical use of LES in wind engineering. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics. 2008;96(10-11):1451-1471. [Link] [DOI:10.1016/j.jweia.2008.02.034]
Huang Sh, Li QS, Xu Sh. Numerical evaluation of wind effects on a tall steel building by CFD. Journal of Constructional Steel Research. 2007;63(5):612-627. [Link] [DOI:10.1016/j.jcsr.2006.06.033]
Heidarinejad Gh, Jadidi AM. Turbulent wind flow simulation over Tarbiat Modares University. Modares Mechanical Engineering. 2015;14(13):272-280. [Persian] [Link]
Dehghani Mohamadabadi H, Yazdanfar SA, Dehghan A, Dehghani Mohamadabadi A. Numerical analysis of the performance of four-sided wind tower attached to parlor and courtyard in different wind incident angles. Modares Mechanical Engineering. 2017;16(12):125-134. [Persian] [Link]
Bazdidi-Tehrani F, Mohammadi-Ahmar A, Kiamansouri M. Analysis of various non-linear k-ε models accuracy to predict flow field and pollutant dispersion around a model building. Modares Mechanical Engineering. 2014;14(6):165-174. [Persian] [Link]
Hejazi M, Taghizadeh MA, Afshari E. Numerical simulation of wind interference effects around a group of tall buildings. Journal of Solid and Fluid Mechanics. 2015;5(2):283-298. [Persian] [Link]
Huang Sh, Li R, Li QS. Numerical simulation on fluid-structure interaction of wind around super-tall building at high reynolds number conditions. Structural Engineering and Mechanics. 2013;46(2):197-212. [Link] [DOI:10.12989/sem.2013.46.2.197]
Menter F. CFD best practice guidelines for CFD code validation for reactor-safety applications [Internet]. Kelowna: ECORA; 2002 [cited 2018 Jun 01]. Available from: https://epdf.tips/cfd-best-practice-guidelines-for-cfd-code-validation-for-reactor-safety-applicat.html [Link]
Baetke F, Werner H, Wengle H. Numerical simulation of turbulent flow over surface-mounted obstacles with sharp edges and corners. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics. 1990;35:129-147. [Link] [DOI:10.1016/0167-6105(90)90213-V]
Thepmongkorn S, Kwok KCS, Lakshmanan N. A two-degree-of-freedom base hinged aeroelastic (BHA) model for response predictions. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics. 1999;83(1-3):171-181. [Link] [DOI:10.1016/S0167-6105(99)00070-7]
Larousse A, Martinuzzi R, Tropea C. Flow around surface-mounted, three-dimensional obstacles. In: Durst F, Friedrich R, Launder BE, Schmidt FW, Schumann U, Whitelaw JH, Editors. Turbulent shear flows 8: Selected papers from the 8th international symposium on turbulent shear flow, 9-11 September, 1991, Munich, Federal Republic of Germany. Heidelberg: Springer; 1991. pp. 127-139. [Link]
Melbourne WH. Comparison of measurements on the CAARC standard tall building model in simulated model wind flows. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics. 1980;6(1-2):73-88. [Link] [DOI:10.1016/0167-6105(80)90023-9]
Kwok KCS, Melbourne WH. Wind-induced lock-in excitation of tall structures. Journal of the Structural Division. 1981;107(1):57-72. [Link]
Saunders JW, Melbourne WH. Tall rectngular building response to cross-wind excitation. In: Eaton KJ, Editor. Proceedings of the fourth international conference on wind effects on buildings and structures. Cambridge: Cambridge University Press; 1977. pp. 369-379. [Link]
Braun AL, Awruch AM. Aerodynamic and aeroelastic analyses on the CAARC standard tall building model using numerical simulation. Computers and Structures. 2009;87(9-10):564-581. [Link] [DOI:10.1016/j.compstruc.2009.02.002]