Vortex-induced vibration of tall precast buildings: an appraisal of different modeling approaches

Wind-induced vibrations have a significant contribution to the determination of the usability and inhabitability of tall buildings with rectangular cross-sections. Although building code-based design procedures typically account for along-wind effects, across-wind responses, i.e., vortex-induced vibrations (VIV), are thinly represented in design codes for typical tall buildings. This thesis considers the building dynamic behavior under wind load, highlighting the importance of incorporating VIV in overall design practice. The research begins with a review of global practice models that define acceleration limits for occupant comfort. Several damping models fixed and height varying are critically reviewed. The findings indicate that, especially for tall RC precast buildings, peak accelerations caused by VIV can match or exceed those caused by buffeting. This challenges the common assumption in most building codes that VIV can be conservatively neglected for tall rectangular buildings. The thesis concludes by recommending that wind design criteria be broadened to include VIV checks for a broad variety of structural typologies, particularly when human comfort is a significant consideration in design. A simplified complexity spectral model is proposed to span this divide, with improved predictive capability without increased computational complexity.

Le vibrazioni indotte dal vento contribuiscono in modo significativo alla determinazione dell'usabilità e dell'abitabilità degli edifici alti con sezione rettangolare. Sebbene le procedure di progettazione basate sulle più recenti normative tengano tipicamente conto degli effetti longitudinali del vento, le risposte trasversali del vento, ovvero le vibrazioni indotte dai vortici (VIV), sono scarsamente rappresentate nei codici di progettazione generalmente trascurate nella progettazione di tipici edifici alti ad uso civile. Questa tesi considera il comportamento dinamico dell'edificio sotto carico del vento, evidenziando l'importanza di integrare le VIV nella pratica progettuale complessiva, con particolare riferimento alla verifica del comfort vibrazionale. La ricerca inizia con una revisione dei modelli applicativi globali che definiscono I limiti di accelerazione per il comfort degli occupanti. Diversi modelli di smorzamento, fissi e ad altezza variabile, vengono esaminati criticamente. I risultati indicano che, soprattutto per gli edifici alti prefabbricati in cemento armato, le accelerazioni di picco causate dalle VIV possono eguagliare o superare quelle causate dalle turbolenze. Ciò mette in discussione l'ipotesi comune nella maggior parte delle normative secondo cui le VIV possono essere trascurate in modo conservativo per edifici rettangolari alti. La tesi si conclude raccomandando che i criteri di progettazione del vento vengano ampliati per includere i controlli VIV per un'ampia varietà di tipologie strutturali, in particolare quando il comfort vibrazionale è un fattore significativo nella progettazione. Viene proposto un modello spettrale di complessità semplificato per colmare questa lacuna, con una migliore capacità predittiva senza aumentare la complessità computazionale.