Design and testing of the semi-aeroelastic model of a rectangular cylinder to assess the role of the porous façades in mitigation of VIV

Double Skin Porous Façade (DSPF) is nowadays a popular cladding solution in civil engineering. It is employed mainly as an energy-saving and aesthetic element, but it has also some important aerodynamic effects. The perforated mesh applied over the building’s façade breaks the coherence of the flux and inhibits vortex shedding. From a dynamic point of view this means that, under some circumstances, it could reduce Vortex Induced Vibrations (VIV). This thesis work deals with the design of a semi-aeroelastic model of a high-rise building to assess the role of DSPF as a VIV mitigation feature. The model is a rigid rectangular cylinder of aspect ratio 3.33, mounted over an elastic base designed ad hoc to observe the aerodynamic effect of vortex shedding. From the wind tunnel testing, it has been observed that the damping ratio plays a crucial role in the VIV mechanism. Low-damped structures do not benefit from the application of the DSPF: the amplitude of vibrations increases with respect to the naked counterpart. A reduction has been measured at a damping ratio of 1.7 %, indicating the existence of a threshold beyond which the effect of the porous element becomes dominant. This study aims at providing a working semi-aeroelastic model together with some insights for further research on the topic.

Le facciate porose a doppia pelle (DSPF) al giorno d’oggi sono utilizzate sempre piu’ spesso nel campo dell’ingegneria civile. Vengono impiegate come elementi di design, perchè consentono un notevole risparmio energetico, ma anche per le loro proprietà aerodinamiche. La rete perforata montata sulla la facciata dell’edificio rompe la coerenza del flusso d’aria, impedendo così il distacco di vortici sincronizzato. Ciò significa che, da un punto di vista dinamico, sotto determinate circostanze, questa può inibire le oscillazioni dovute alla separazione periodica del flusso (VIV). Questo lavoro di tesi è incentrato sulla progettazione del modello semi-aeroelastico di un edificio alto, per valutare il ruolo della DSPF come meccanismo di mitigazione delle VIV. Il modello è un cilindro rigido a base rettangolare di aspect ratio 3.33, montato sopra una base elastica progettata appositamente per osservare gli effetti aerodinamici dovuti al distacco dei vortici. Dalla prove in galleria del vento è emerso che lo smorzamento percentuale ha un ruolo cruciale nel meccanismo delle VIV. Le strutture poco smorzate non beneficiano dall’applicazione delle DSPF: l’ampiezza delle oscillazioni è maggiore rispetto all’edificio a facciata singola. Una riduzione è stata misurata solo per smorzamento pari a 1.7 %, il che indica l’esistenza di un valore limite oltre il quale l’effetto aerodinamico degli elementi porosi diventa dominante. Lo scopo di questo studio è quello di fornire un modello semi-aeroelastico funzionante assieme a degli spunti per continuare la ricerca sul tema.