Aeroelastic Effects on Tall Buildings: Performance-Based Comfort Analysis

Pozzuoli, Chiara

Die derzeitige Tendenz zum Bau immer höherer und schlankerer Gebäude hat zur Entwicklung einer neuen Generation von Hochhäusern geführt, die besonders windempfindlich sind. Starke Gebäudeschwingungen können ein Gefühl des Unbehagens hervorrufen. Da die Wahrnehmung windbedingter Vibrationen in engem Zusammenhang mit dem Beschleunigungsverhalten steht, kann die Überprüfung windbedingten Unbehagens durch die zuverlässige Bestimmung des windbedingten Beschleunigungsverhaltens, das insbesondere quer zur Windrichtung durch aeroelastische Effekte beeinflusst werden kann, erfolgen. Dazu wurde eine umfangreiche Versuchsreihe zur Analyse windbedingter Lasten und Beschleunigungen eines aeroelastischen Modell eines regelmäßigen Hochhauses mit quadratischem Grundriss durchgeführt. Messungen des Oberflächendrucks an 126 Stellen, der Kräfte insgesamt, der Verschiebung quer zur Windrichtung sowie des Beschleunigungsverhaltens quer und längs zur Windrichtung wurden gleichzeitig vorgenommen. Die Analyse der gemessenen Werte ergab verschiedene Resultate wie die mögliche Veränderung der Strouhal-Zahl in Abhängigkeit von der Höhe über dem Windkanalboden, den Zusammenhang von Druck, Lock-in-Windgeschwindigkeit und der RMS-Beschleunigung sowie das Verschiebungsverhalten aufgrund der Windgeschwindigkeit. Aeroelastische Effekte als Folge des Beschleunigungsverhaltens quer zur Windrichtung, das wesentlich häufiger ist als das längs zur Windrichtung, wurden über ein experimentelles numerisches Verfahren hinsichtlich der aerodynamischen Dämpfung untersucht. Aerodynamische Dämpfung quer zur Windrichtung ist für das getestete Modell angesichts der hohen Scruton-Zahl positiv und mit anderen wissenschaftlichen Erkenntnissen konform. Ein generelles Verfahren zur Bestimmung windbedingten Unbehagens in Hochhäusern in Übereinstimmung mit dem Performance-Based Ansatz (PBD) und der PEER-Gleichung (Pacific Earthquake Engineering Research [Center]) wird vorgeschlagen und auf ein Fallbeispiel angewandt.

Recent trends towards increasingly taller and slender buildings have led to a new generation of wind-sensitive structures that can experience large wind-induced vibrations. Excessive dynamic oscillations can then cause discomfort to occupants, sometimes raising concerns about serviceability design problems. Since the human perception of vibration is closely related to the acceleration response of structures, the assessment of wind-induced discomfort can be properly carried out through a reliable estimation of the acceleration responses which, particularly in the across-wind direction, may be influenced by aeroelastic effects. Within this context, a wide experimental campaign was carried out in this study in order to evaluate the wind-induced loads and responses of a continuous equivalent aeroelastic model of a regular square-section tall building. Measurements of surface pressures on 126 taps, overall forces, across-wind displacements and across-wind and along-wind accelerations were simultaneously carried out. From the analysis of the measured pressure field and responses several results were obtained including the possible variation of the Strouhal number with height over the tunnel floor, the correlation structure of pressures, the lock-in wind speed range and the RMS acceleration and displacement responses as functions of wind speed. Aeroelastic effects involving the across-wind response, which largely exceeds the along-wind one, were evaluated in terms of aerodynamic damping using an experimental-numerical procedure. Across-wind aerodynamic damping is found to take positive values for the model tested having high Scruton number and to be in general agreement with other literature results. A general procedure for wind risk assessment of tall buildings related to comfort, in line with the Performance-Based Design (PBD) approach and the PEER (Pacific Earthquake Engineering Research [Center]) equation, is proposed and applied to a case-study building.

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Pozzuoli, Chiara: Aeroelastic Effects on Tall Buildings: Performance-Based Comfort Analysis. 2012.

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