Aeroelastisk Respons af Højhuse
Translated title
Aeroelastic Response of High-Rise Buildings
Authors
Trondal Svendsen, Anders ; Michaelsen, Allan
Term
4. term
Education
Publication year
2008
Pages
254
Abstract
Rapporten undersøger, hvordan vind påvirker højhuse, når luftstrøm og bygningsbevægelse påvirker hinanden (aeroelastisk respons). Vi simulerer vind omkring en idealiseret kvadratisk, tårnformet bygning med Ansys CFX 11, et program til computational fluid dynamics (CFD). Bygningen repræsenteres som en forenklet FEM-bjælkemodel, og dens bevægelse beskrives med en modal tilgang (naturlige svingningsformer). Vi præsenterer en metode til at opbygge 3D-beregningsnet til udvendig strømning omkring rektangulære tårne baseret på en 2D hyperbolisk gittermetode, og beskriver enkle tiltag for et glattere net. Vi sammenligner strukturerede og ustrukturerede net og finder, at strukturerede net giver hurtigere beregninger. Vi vurderer muligheder for at styre netstivhed under netdeformationer i Ansys CFX; 2D-analyser peger på, at brug af den reciprokke vægafstand som stivhedsparameter eller den indbyggede funktion "Increase Near Boundaries" fungerer bedst. På grund af begrænset regnekraft vurderer vi effekten af mindre ideelle simuleringsindstillinger. Disse har begrænset indflydelse på laster i strømretningen (med vinden), mens laster i tværretningen (på tværs af vinden) er stærkt afhængige. Vi sammenligner simuleringer, hvor bygningen kan bevæge sig frit, med simuleringer hvor den er fast, og ser tydelige forskelle, hvilket understreger vigtigheden af aeroelastisk modellering. Til sidst estimeres aeroelastiske laster ved hjælp af fladderderivater; metoden giver kvalitativt gode resultater og virker anvendelig for højhuse. Resultaterne er baseret på de to første egenmodi; effekten af at inkludere flere egenmodi er ikke undersøgt.
This report examines how wind affects tall buildings when airflow and structural motion interact (aeroelastic response). We simulate wind around an idealized square, tower-shaped building using Ansys CFX 11, a computational fluid dynamics (CFD) program. The structure is represented by a simplified finite element beam model, and its motion is expressed with a modal approach (using natural vibration modes). We present a method for building 3D computational meshes for external flow around rectangular towers, based on a 2D hyperbolic grid scheme, and describe simple steps to make the mesh smoother. We compare structured and unstructured meshes and find that structured meshes compute faster. We evaluate options for controlling mesh stiffness during mesh deformation in Ansys CFX; 2D tests indicate that using the reciprocal of wall distance as the stiffness parameter, or the built-in "Increase Near Boundaries" option, performs best. Because computing power was limited, we assess the impact of using less-than-ideal simulation settings. These settings have little effect on loads in the streamwise direction (along the wind), but cross-wind loads (sideways) are strongly affected. We compare simulations where the building can move freely with ones where it is fixed and observe clear differences, underscoring the importance of aeroelastic modeling. Finally, we estimate aeroelastic loads using flutter derivatives; this method yields qualitatively good results and appears applicable to high-rise buildings. The response is computed using only the first two vibration modes; the effect of including more modes is not analyzed.
[This abstract was generated with the help of AI]
Keywords