A computational framework for wind induced serviceability of tall buildings

This thesis presents a tool that estimates wind induced response of tall buildings in the frequency domain. The algorithm assembles the information required for multi modal spectral superposition from structural modal properties and evaluates the stochastic response under stationary wind loading. Both the alongwind and the crosswind response are addressed by accounting for the main excitation mechanisms relevant to slender tall buildings, namely turbulence driven buffeting and, in crosswind dominated conditions, vortex induced vibrations. The buffeting contribution is evaluated in the frequency domain by combining turbulence spectra, vertical coherence and by propagating the resulting generalised forces through modal transfer functions, consistently with the spectral framework discussed by Solari and Piccardo (2001). The additional vortex induced contribution is included following the spectral parametrisation proposed by Liang et al. (2002) and combined with the buffeting response for normal wind incidence. The implementation returns displacements, accelerations and base actions in the two horizontal directions and in torsion. The code procedure is evaluated through reference benchmarks and case study applications. CAARC benchmark buildings are reproduced to verify directional trends and the overall level of predicted response, considering both response quantities and global base actions. The model is then applied to the Politecnico di Milano aeroelastic benchmark by Cavenaghi (2020) to compare predicted acceleration spectra against wind tunnel measurements; finally, a full scale case study of a precast building is discussed.

Questa tesi presenta uno strumento che stima la risposta dinamica al vento di edifici alti nel dominio della frequenza. L’algoritmo assembla le informazioni necessarie per la sovrapposizione spettrale multimodale a partire dalle proprietà modali strutturali e valuta la risposta stocastica sotto carico di vento. Sia la risposta lungo vento che quella trasversale vengono affrontate tenendo conto dei principali meccanismi di eccitazione rilevanti per gli edifici alti e snelli: il buffeting e, in condizioni dominate dal vento trasver- sale, il distacco dei vortici. Il contributo del buffeting viene valutato nel dominio della frequenza combinando spettri di turbolenza, coerenza verticale e propagando le forze generalizzate risultanti attraverso funzioni di trasferimento modale, in modo coerente con il quadro spettrale discusso da Solari and Piccardo (2001). Il contributo aggiuntivo indotto dal distacco dei vortici è incluso seguendo la parametrizzazione spettrale proposta da Liang et al. (2002) e combinato con la risposta lungo vento per la direzione normale di incidenza del vento. L’implementazione restituisce spostamenti, accelerazioni, tagli e momenti alla base nelle due direzioni orizzontali e in torsione. La procedura del codice viene valutata attraverso benchmark e applicazioni di casi studio. Gli edifici CAARC vengono riprodotti per verificare le tendenze direzionali e il livello complessivo della risposta prevista, considerando sia l’accelerazione che le azioni di base globali. Il modello viene poi applicato al modello aeroelastico del Politecnico di Milano di Cavenaghi (2020) per confrontare gli spettri di accelerazione con quelli previsti delle misurazioni in galle- ria del vento; infine, viene discusso un caso studio su scala reale di un edificio prefabbricato.