Numerical Simulation of the Dynamic Response of the “Evolution” Tower under Wind Action Considering Surrounding Buildings and Turbulence Resolution

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

Introduction. Existing normative methodologies do not always adequately describe the dynamic response of high-rise buildings under wind action, especially when considering complex geometry and interaction with surrounding developments. In this study, a numerical simulation methodology for the dynamic response of high-rise buildings under wind action is developed, accounting for aerodynamic interference and resolving the spectrum of turbulent fluctuations based on unsteady CFD-modelling and direct dynamic finite element analysis. An example of using this methodology is shown, along with numerical results of modelling the dynamic response at different wind attack angles of the “Evolution” Tower, which is part of the Moscow International Business Centre “Moscow-City”.Materials and methods. The methodology divides the problem into two stages: unsteady aerodynamic modelling and calculation of the dynamic response of the structure. Aerodynamic models of the building complex of the Moscow International Business Centre “Moscow-City” and a finite element model of the “Evolution” Tower were developed for this purpose. A hybrid turbulence model SBES was applied for aerodynamic simulation, allowing the resolving of the spectrum of turbulent fluctuations. The dynamic response of the building is calculated using direct dynamic finite element analysis based on the implicit Newmark method.Results. The results of aerodynamic simulation are presented as floor-by-floor distributions of aerodynamic forces and moments for different wind directions. The calculated dynamic response based on these results showed a significant influence of aerodynamic interference on the building’s behaviour. Comparison with calculations using the normative methodology CP 20.13330.2016 demonstrated the conservatism of the latter and the need for more accurate calculation methods.Conclusions. The proposed methodology allows for a more accurate prediction of the dynamic response of high-rise buildings under wind action, which is crucial for ensuring mechanical safety and dynamic comfort. It is recommended to implement this methodology in the practice of design justification for high-rise buildings, which will optimize structural solutions, enhance mechanical safety, and increase the economic efficiency of high-rise construction.

About the authors

S. G. Saiyan

Moscow State University of Civil Engineering (National Research University) (MGSU)

Email: Berformert@gmail.com
ORCID iD: 0000-0003-0694-4865

A. V. Vasiliev

National University of Oil and Gas “Gubkin University”

Email: vasilev.artemiy@yandex.ru

References

  1. Соловьев А., Никонова Е., Герасимов А. Проектирование зданий и сооружений. М., 2022. 76 с.
  2. Рыбакова Л.Ю., Балашова Е.Я. Высотные здания: проектирование, анализ и безопасность // Традиции и инновации в строительстве и архитектуре. Строительство и строительные технологии : сб. статей 80-й Юбилейной Всеросс. науч.-техн. конф. 2023. С. 55–61. EDN FUXTVT.
  3. Yadav H., Roy A.K. Wind-induced aerodynamic responses of triangular high-rise buildings with varying cross-section areas // Buildings. 2024. Vol. 14. Issue 9. P. 2722. doi: 10.3390/buildings14092722
  4. Shan W., Yang Q., Guo K., Chen C., Zhen W., Kim Y.C. Across-wind response characteristics of tall-square towers in urban flow: An experimental study focused on the aeroelastic effects // Physics of Fluids. 2024. Vol. 36. Issue 3. doi: 10.1063/5.0194289
  5. Abdelwahab M., Ghazal T., Nadeem K., Aboshosha H., Elshaer A. Performance-based wind design for tall buildings : review and comparative study // Journal of Building Engineering. 2023. Vol. 68. P. 106103. doi: 10.1016/j.jobe.2023.106103
  6. Xu Z., Yin J. The Influence of Aeroelastic Effects on Wind Load and Wind-Induced Response of a Super-Tall Building: An Experimental Study // Buildings. 2023. Vol. 13. Issue 7. P. 1871. doi: 10.3390/buil-dings13071871
  7. Wijesooriya K., Mohotti D., Mendis P. A technical review of computational fluid dynamics (CFD) applications on wind design of tall buildings and structures: Past, present and future // Journal of Building Engineering. 2023. Vol. 74. P. 106828. doi: 10.1016/j.jobe.2023.106828
  8. Hareendran S.P., Alipour A., Shafei B., Sarkar P. Characterizing wind-structure interaction for performance-based wind design of tall buildings // Engineering Structures. 2023. Vol. 289. P. 115812. doi: 10.1016/j.engstruct.2023.115812
  9. Саиян С.Г., Ефимова А.М. Расчетные аэродинамические исследования комплекса Московского международного делового центра «Москва-Сити» при последовательном возведении зданий // Вестник МГСУ. 2024. Т. 19. № 6. С. 906–941. doi: 10.22227/1997-0935.2024.6.906-941
  10. Mengistu M.T., Repetto M.P. Analytical downburst wind load calculation methods: Review and full-scale validation // Engineering Structures. 2024. Vol. 321. P. 118970. doi: 10.1016/j.engstruct.2024.118970
  11. Zhao S., Zhang C., Dai X., Yan Z. Review of wind-induced effects estimation through nonlinear analysis of tall buildings, high-rise structures, flexible bridges and transmission lines // Buildings. 2023. Vol. 13. Issue 8. P. 2033. doi: 10.3390/buildings13082033
  12. Варибрус Д.С., Грибанов Д.С. Методика расчета реакции сооружения на пульсации ветра // Инновационная наука. 2021. № 5. С. 35–37. EDN FCIXXI.
  13. Негрозова И.Ю., Афанасьева И.Ю. Обзор аналитических и полуэмпирических подходов для анализа аэродинамической неустойчивости типа флаттер // Вестник Инженерной школы Дальне-восточного федерального университета. 2023. № 1 (54). С. 119–140. doi: 10.24866/2227-6858/2023-1/119-140. EDN MCXFEQ.
  14. Kwon D.K., Kareem A. Hybrid simulation of a tall building with a double-decker tuned sloshing damper system under wind loads // The Structural Design of Tall and Special Buildings. 2020. Vol. 29. Issue 15. doi: 10.1002/tal.1790
  15. Илюхина Е.А., Лахман С.И., Миллер А.Б., Травуш В.И. Конструктивные решения высотного здания «Лахта центр» в Санкт-Петербурге // Academia. Архитектура и строительство. 2019. № 3. C. 110–121. doi: 10.22337/2077-9038-2019-3-110-121. EDN MLORRC.
  16. Ding F., Kareem A. Tall buildings with dynamic facade under winds // Engineering. 2020. Vol. 6. Issue 12. Pp. 1443–1453. doi: 10.1016/j.eng.2020.07.020
  17. Саиян С.Г. Моделирование ускорений верхних этажей высотного здания при ветровом воздействии // Дни студенческой науки : сб. докл. науч.-техн. конф. по итогам науч.-исслед. работ студентов Института фундаментального образования НИУ МГСУ за 2019–2020 учебный год. 2020. С. 295–298. EDN JHLVLJ.
  18. Saiyan S., Andreev V., Paushkin A. Numerical Simulation of Accelerations of the Upper Floors of a High-Rise Building Under Wind Influence // Lecture Notes in Civil Engineering. 2022. Pp. 269–279. doi: 10.1007/978-3-031-10853-2_25
  19. Sun W., Wang X., Dong D., Zhang M., Li Q. A comprehensive review on estimation of equivalent static wind loads on long-span roofs // Advances in Structural Engineering. 2023. Vol. 26. Issue 14. Pp. 2572–2599. doi: 10.1177/13694332231190706
  20. Zhang S., Guo K., Yang Q., Xu X. Review of wind field characteristics of downbursts and wind effects on structures under their action // Buildings. 2024. Vol. 14. Issue 9. P. 2653. doi: 10.3390/buildings14092653
  21. Bruno L., Coste N., Mannini C., Mariotti A., Patruno L., Schito P. et al. Codes and standards on computational wind engineering for structural design: State of art and recent trends // Wind and Structures. 2023. Vol. 37. Pp. 133–151. doi: 10.12989/was.2023.37.2.133
  22. Мишичев Д.К. Сравнительный анализ отечественных и зарубежных норм в части определения ветровой нагрузки на здания // Потенциал интеллектуально одаренной молодежи — развитию науки и образования : мат. XII Междунар. науч. форума молодых ученых, инноваторов, студентов и школьников. 2023. С. 482–485. EDN FAFZOA.
  23. Tiwari L., Asher A., Deshpande A., Murudi M. Analysis of 150 m long wind mast using Indian code, U.S. Code & Eurocode // AIP Conference Proceedings. 2024. Vol. 3013. P. 030003. doi: 10.1063/5.0204653
  24. Baballëku M., Verzivolli A., Luka R., Zgjanolli R. Fundamental basic wind speed in Albania: An adoption in accordance with Eurocodes // Journal of Transactions in Systems Engineering. 2023. Vol. 1. Issue 2. Pp. 56–72. doi: 10.15157/JTSE.2023.1.2.56-72
  25. Llanes-Tizoc M.D., Valenzuela-Beltrán F., Bojórquez E., Bojórquez J., Gaxiola-Camacho J.R., Leal-Graciano J.M. et al. Rayleigh damping vs. modal damping matrix superposition for steel frames and evaluation of higher-mode contribution // Iranian Journal of Science and Technology, Transactions of Civil Engineering. 2024. doi: 10.1007/s40996-024-01615-2
  26. Miyamoto K., She J., Sato D., Chen Y., Soriano R.D.A., Nakano S. Wind-load estimation for seismically isolated building by equivalent-input-disturbance approach with robust-control strategy // Control Engineering Practice. 2024. Vol. 145. P. 105853. doi: 10.1016/j.conengprac.2024.105853
  27. Сидоров В.Н., Бадьина Е.С., Климушкин Д.О. Модификация функции диссипации Рэлея для численного моделирования внутреннего демпфирования в стержневых конструкциях // Вестник МГСУ. 2024. Т. 19. № 6. С. 960–970. doi: 10.22227/1997-0935.2024.6.960-970. EDN MYGSCN.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».