Grand

Scientific Reports volume 13, Numéro d'article : 14236 (2023) Citer cet article

17 Accès

Détails des métriques

Cette étude a utilisé la simulation 3D des grands tourbillons pour étudier la force de traînée du vent latéral sur un cylindre carré soumis à une fluctuation du vent transversal. Deux méthodes distinctes ont été utilisées pour générer la fluctuation : une fonction sinusoïdale prescrite à la limite de l'entrée et une barrière au vent. La fréquence a été normalisée sous la même forme numérique de Strouhal. La fluctuation transversale du vent avec une fréquence normalisée supérieure à 0,05 tend à exciter le cylindre carré transversalement avec la même bande de fréquence. L'effet de fréquence existe également sur le cylindre carré situé sous le vent d'un obstacle de la moitié de la taille du cylindre carré. Cependant, un obstacle de 2,5 fois la taille du cylindre carré génère une fluctuation de vent latéral avec une fréquence normalisée de 0,04, qui ne peut pas exciter le cylindre carré transversalement. L'effet de fréquence de la barrière au vent s'atténue considérablement avec la distance et disparaît à 8 à 10 fois la taille du cylindre carré.

Alors que l'utilisation de matériaux légers dans l'architecture continue de croître parallèlement au développement économique et technologique, la question de l'atténuation de la réponse aux vents latéraux dans les immeubles de grande hauteur est devenue de plus en plus importante pour la sécurité et l'habitabilité1. Lorsque des vents forts approchent du bâtiment, les turbulences et les tourbillons de sillage peuvent provoquer des charges induites par le vent dans la direction transversale des bâtiments de grande hauteur2,3,4,5. À mesure que la rigidité du bâtiment diminue, la fréquence de déversement des vortex caractérisée par le nombre de Strouhal (St) peut se rapprocher de la fréquence inhérente à la structure du bâtiment. À mesure que la vitesse du vent augmente, la fréquence de vibration de la structure suit la fréquence de déversement des vortex. Une fois le verrouillage de fréquence effectué, la fréquence de vibration se verrouille sur la fréquence naturelle, l'amplitude du mouvement augmentant considérablement par rapport à l'état de non verrouillage6,7. Il est donc crucial d’étudier la réponse dynamique des bâtiments dans le sens transversal sous l’action du vent et de prédire les conditions conduisant à l’état de verrouillage, garantissant ainsi l’exploitation sûre des immeubles de grande hauteur6,7,8,9,10. ,11.

La Chine est à l'origine de la tendance à la manhattanisation, avec 51 des 100 plus grands gratte-ciel du monde achevés dans tout le pays, et 6 des 10 plus hauts gratte-ciel y sont situés, selon la base de données mondiale sur les grands bâtiments du CTBUH12. Cette centralisation des immeubles de grande hauteur modifie les fluctuations de charge de vent subies par la structure. De plus, l’effet des obstacles à courte portée rend difficile la prévision des forces excitées par les vortex agissant sur les immeubles de grande hauteur. Ce phénomène est également observé dans les structures à poutres-caissons des ponts à longue portée, les fluctuations de la vitesse du vent ne parvenant pas à adhérer à la distribution normale, même à plus grande échelle13,14. La corrélation entre les vibrations induites par les vortex (VIV) des immeubles de grande hauteur et les fluctuations du vent à la surface de la structure est insuffisante. La fluctuation du champ de vent peut provoquer des fluctuations de pression sur la surface du bâtiment avec le temps, faisant de la réponse aux vibrations du vent sous des champs de vent fluctuants un problème scientifique critique15.

En outre, la plupart des immeubles de grande hauteur se trouvent généralement dans des zones bâties urbaines, telles que les quartiers centraux des affaires (CBD). En raison de la grande variabilité de la surface sous-jacente dans les zones urbaines, l’interaction de la quantité de mouvement entre le flux d’air et les bâtiments se traduit par des caractéristiques turbulentes spatiales et temporelles complexes. Il est difficile d'obtenir des prévisions VIV fiables basées sur des données mesurées limitées ou sur le profil logarithmique moyen de la vitesse du vent comme conditions aux limites de l'entrée9. Il est donc essentiel de mieux comprendre l’impact des fluctuations du champ de vent sur les immeubles de grande hauteur, en particulier en milieu urbain.

Dans cette étude, nous avons effectué des simulations aux grands tourbillons (LES) pour étudier la force excitée par un vortex (VEF) d'un cylindre carré soumis à des fluctuations transversales du vent. Les fluctuations du vent transversal sont générées de deux manières : une vitesse du vent transversal fluctuant périodiquement utilisée par une fonction sinusoïdale et une barrière installée au vent. La fréquence de la force excitée par le vortex sur le cylindre carré est analysée et l'influence de la fluctuation du vent latéral est discutée. Cette étude donne un aperçu de la force de traînée par vent traversier d'un cylindre carré sous des champs de vent fluctuants.