بررسي عددي رفتار آئروالاستيك ساختمان‌هاي بلند با لحاظ اندركنش سازه و باد

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

كاربرد ديناميك سيالات محاسباتي به‌منظور ارزيابي عددي آثار باد بر ساختمان‌هاي بلند با توجه به افزايش توان محاسباتي رايانه‌ها در سال‌هاي اخير در حال توسعه است. با توجه به ريزش‌هاي گردبادي پيرامون ساختمان‌هاي انعطاف‌پذير، لاغر و بلند ناشي از جريان باد با اعداد رينولدز نسبتاً بالا، بررسي رفتار آئروالاستيك ساختمان‌هاي بلند امري ضروري است. در اين مقاله، جريان آشفته باد با 4 سرعت متفاوت پيرامون ساختمان بلند استاندارد CAARC به‌صورت عددي شبيه‌سازي شده است. از مدل شبيه‌سازي گردابه‌هاي بزرگ براي لحاظ اثر آشفتگي در حل معادلات جريان استفاده شده و پاسخ ساختمان‌هاي بلند به نيروهاي حاصل از باد با حل معادله ديفرانسيل حركت تعيين شده است. به‌منظور انتقال داده‌ها بين دو حوزه حل سيالاتي و سازه‌اي در هر گام زماني، از روش كوپل‌شدگي دوطرفه استفاده شده‌ است. طبق نتايج حاصل از شبيه‌سازي عددي، ضرايب فشار، خطوط جريان و ميدان فشار لحظه‌اي پيرامون ساختمان بلند مطابقت خوبي با مشخصه‌هاي متداول جريان پيرامون اجسام هوابند دارد. سرعت بحراني متناظر با پديده قفل‌شدگي در اين مساله با استفاده از عدد استروهال، برابر با 100متر بر ثانيه محاسبه شده است. همچنين تاريخچه زماني جابه‌جايي بام ساختمان در جهت باد و عمود بر امتداد آن به‌ازاي سرعت‌هاي متفاوت وزش باد استخراج شده و به‌ترتيب ميانگين و انحراف‌معيار آنها محاسبه شده است. افزايش مداوم دامنه نوسان‌هاي عرضي ساختمان تحت وزش باد با سرعت 100متر بر ثانيه مشاهده شده است. اين نكته بيانگر كارآيي و قابليت فرآيند عددي حاضر در تشخيص ناپايداري آئروالاستيك به‌ ازاي سرعت پيش‌بيني‌شده است.

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.