Grande

Scientific Reports volume 13, Artigo número: 14236 (2023) Citar este artigo

17 acessos

Detalhes das métricas

Este estudo utilizou simulação 3D de grandes redemoinhos para investigar a força de arrasto do vento cruzado em um cilindro quadrado sujeito à flutuação transversal do vento. Dois métodos distintos foram empregados para gerar a flutuação: uma função senoidal prescrita no limite de entrada e uma barreira contra o vento. A frequência foi normalizada na mesma forma do número de Strouhal. A flutuação transversal do vento com frequência normalizada acima de 0,05 tende a excitar o cilindro quadrado transversalmente com a mesma faixa de frequência. O efeito de frequência também existe no cilindro quadrado localizado a favor do vento em um obstáculo com metade do tamanho do cilindro quadrado. No entanto, um obstáculo 2,5 vezes o tamanho do cilindro quadrado gera uma flutuação do vento cruzado com a frequência normalizada de 0,04, que não pode excitar o cilindro quadrado transversalmente. O efeito de frequência da barreira contra o vento diminui significativamente com a distância e desaparece em 8 a 10 vezes o tamanho do cilindro quadrado.

À medida que a utilização de materiais leves na arquitectura continua a crescer juntamente com o desenvolvimento económico e tecnológico, a questão da mitigação da resposta do vento cruzado em edifícios altos tornou-se cada vez mais importante para a segurança e a habitabilidade1. Quando ventos fortes se aproximam do edifício, a turbulência e os vórtices podem causar carregamento induzido pelo vento na direção transversal de edifícios altos2,3,4,5. À medida que a rigidez do edifício diminui, a frequência de desprendimento de vórtices caracterizada pelo número de Strouhal (St) pode aproximar-se da frequência inerente da estrutura do edifício. À medida que a velocidade do vento aumenta, a frequência de vibração da estrutura segue a frequência de emissão de vórtices. Uma vez que ocorre o bloqueio de frequência, a frequência de vibração trava na frequência natural, com a amplitude do movimento aumentando significativamente em comparação com o estado sem travamento6,7. É, portanto, crucial investigar a resposta dinâmica dos edifícios na direção transversal às ações do vento e prever as condições que levam ao estado de lock-in, garantindo assim a operação segura de edifícios altos6,7,8,9,10 ,11.

A China tem impulsionado a tendência de Manhattanização, com 51 dos 100 maiores arranha-céus do mundo concluídos em todo o país, com 6 dos 10 maiores arranha-céus localizados lá, de acordo com o CTBUH Global Tall Buildings Database12. Esta centralização de edifícios altos altera as flutuações da carga de vento sofridas pela estrutura. Além disso, o efeito de obstáculos próximos torna difícil prever as forças excitadas por vórtices que atuam em edifícios altos. Este fenômeno também é observado em estruturas de viga caixão de pontes de longo vão, com as flutuações da velocidade do vento não conseguindo aderir à distribuição normal mesmo em escalas maiores . A correlação entre a vibração induzida por vórtices (VIV) em edifícios altos e as flutuações do vento na superfície da estrutura é insuficiente. A flutuação no campo eólico pode causar flutuações de pressão na superfície do edifício com o tempo, tornando a resposta à vibração do vento sob campos eólicos flutuantes uma questão científica crítica15.

Além disso, a maioria dos edifícios altos tende a situar-se em áreas urbanas urbanizadas, como os distritos comerciais centrais (CBD). Devido à alta variabilidade da superfície subjacente em áreas urbanas, a interação dinâmica entre o fluxo de ar e os edifícios resulta em características turbulentas espaciais e temporais complexas. É um desafio obter previsões VIV confiáveis ​​com base em dados medidos limitados ou no perfil logarítmico médio da velocidade do vento como condições de contorno de entrada9. Portanto, é essencial desenvolver uma compreensão mais profunda do impacto das flutuações do campo eólico em edifícios altos, especialmente em ambientes urbanos.

Neste estudo, conduzimos simulações de grandes redemoinhos (LES) para investigar a força excitada por vórtice (VEF) de um cilindro quadrado sob flutuações transversais do vento. As flutuações transversais do vento são geradas de duas maneiras: uma velocidade transversal flutuante periódica do vento utilizada por uma função senoidal e uma barreira instalada contra o vento. A frequência da força excitada pelo vórtice no cilindro quadrado é analisada e a influência da flutuação do vento cruzado é discutida. Este estudo fornece insights sobre a força de arrasto do vento cruzado de um cilindro quadrado sob campos de vento flutuantes.