Experimental high resolution analysis of the pressure peaks on a building scale model façades

Wind tunnel measurements are an established technique for the assessment of wind induced pressure on building façades. Despite having been used for more than fifty years, there are still some open questions on how to interpret the results of wind tunnel measurements. Since the Eighties, indeed, as the instrumentation used in the wind tunnels improved, stronger and stronger pressure events have been observed. This growth of the observed peak pressure has been heuristically ascribed to the improvement of the sampling frequency of the equipment. This, along with the fact that no damages had been observed in the buildings designed with the previous lower coefficients, led to the conviction that these stronger events had to be purged from the acquired signal by mean of a low-pass filter. To support this hypothesis, an equation, the TVL equation, has been proposed to link the duration of the phenomena to their spatial width. Even if this equation has been used for more than forty years, however, very few experimental validations exist in literature. In this thesis we present an experiment carried out at Politecnico di Milano, in collaboration with the Advanced Technology + Research group of ARUP UK, to experimentally study the validity of the above-mentioned hypothesis. During this experiment, the pressure has been measured on the surface of a prismatic model using extremely closely spaced pressure taps. This allowed to study the spatial distribution of the pressure field and to investigate the relationship between the duration and the width of the dimensioning pressure peaks occurring on the leeward faces of the building. The results highlight a situation much more complex than the one suggested by the simple TVL equation and raise some doubts regarding its validity. This will be then studied comparing the design value predicted using the time filtered signals, with the one obtained with the area-averaged signals. The results allow to understand how large is the error performed when using the time-filtered signals in place of area-averaged and to assess which version of the TVL equation performs best. The research is then concluded proposing a novel measurement device that could completely overcome the need of an analytical model for the relationship between the time-domain and the space-domain size of pressure phenomena, allowing a direct measurement of the area-averaged pressure field.

I test in galleria del vento sono una pratica affermata per il calcolo della pressione indotta dal vento sulle facciate degli edifici. Nonostante questa pratica sia in uso ormai da più di cinquant’anni, sussistono ancora degli interrogativi per quanto riguarda l’interpretazione delle misure in galleria del vento. A partire dagli anni ottanta, infatti, man mano che la strumentazione impiegata nelle gallerie del vento è migliorata, sono stati osservati fenomeni via via più violenti. Questo aumento nel valore di pressione di picco osservato è stato euristicamente attribuito all’aumento della frequenza di acquisizione della strumentazione. Questo, unito al fatto che non erano stati osservati danni negli edifici progettati usando i vecchi coefficienti più bassi, ha portato alla convinzione che il segnale acquisito andasse ripulito da questi eventi più forti per mezzo di un filtro passa-basso. A supporto di questa ipotesi, una equazione, la TVL equation, fu proposta per collegare la durata dei fenomeni alla loro estensione spaziale. Nonostante questa equazione sia stata utilizzata per più di quarant’anni, esistono pochissime validazioni sperimentali a suo supporto in letteratura. In questa tesi presentiamo un esperimento condotto al Politecnico di Milano, in collaborazione con il gruppo di Advanced Technology + Research di ARUP UK, per studiare sperimentalmente la validità di tale ipotesi. Durante questo esperimento, la pressione è stata misurata sulla superficie di un modello prismatico usando prese di pressione estremamente ravvicinate. Questo ha permesso di studiare la distribuzione spaziale del campo di pressione ed investigare la relazione tra la durata e la larghezza dei picchi di pressione dimensionanti che avvengono sulle facce sottovento dell’edificio. I risultati evidenziano una situazione molto più complessa di quella suggerita dalla semplice equazione TVL e sollevano dubbi riguardo la sua validità. Questa verrà poi studiata confrontando il valore di progetto ottenuto usando i segnali filtrati nel dominio del tempo, con quello ottenuto usando i segnali mediati nello spazio. Il risultato ha permesso di capire quanto grande sia l’er-rore compiuto quando si usano i segnali mediati nel tempo al posto di quelli mediati nello spazio e di capire quale versione della equazione TVL fornisca i risultati migliori. La ricerca si conclude con la proposta di un innovativo dispositivo di misura che permette di aggirare completamente la necessità di una formulazione analitica per la relazione tra la dimensione dei fenomeni di pressione nello spazio e nel tempo, permettendo una misura diretta del campo di pressione mediato spazialmente.