PROBLEMI DI AERODINAMICITà DELL INVOLUCRO

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1 T E c N L G I A ingegneria dell involucro 36 PRBLEMI DI AERDINAMICITà DELL INVLUCR Wind design e galleria del vento di Giuliano Venturelli n foto/photo: Archivio Galleria del Vento del Politecnico di Milano (GVPM), Citylife, Frener & Reifer 1 Aerodynamics problems in claddings Wind design and wind tunnels 2

2 Le dune si trasformano con il vento ma il deserto rimane sempre uguale. Paulo Coelho Cosa accomuna le dune del deserto,il volto della Sfinge, un automobile da Formula 1, le vele di una barca dell America s Cup, il casco di uno sciatore di kilometro lanciato, la forma di un grattacielo di ultima generazione? Il vento! Infatti sono tutti elementi disegnati dal vento. Il vento può di volta in volta disegnare, scolpire, modellare, formare, piegare, deformare, scavare, svuotare, sottrarre, rimuovere, posare, depositare, erodere. Se infatti il volto della Sfinge ha subito per secoli l azione erosiva di sabbia e vento che l hanno portata ad assumere gli attuali tratti, lo stesso vale per gli altri elementi caratterizzati dall avere la forma più idonea per reagire alle azioni dell aria e del vento (valutazione della resistenza aerodinamica) o assecondarle. Una duna, per esempio, è una collina di sabbia modellata dai venti e quindi soggetta a continui spostamenti e ridimensionamenti dipendenti dalla direzione e forza del vento. Il vento e l aria tuttavia assumono un ruolo determinante anche nella generazione e nel design di elementi artificiali che con essi devono interagire, tanto da dover ricorrere in molti casi ad analisi sul comportamento aerodinamico degli elementi stessi. Nel campo dell automotive, delle tecnologie per lo sport, dell aeronautica e della nautica, molte ricerche vengono effettuate proprio per la valutazione dell aerodinamicità. Nel kilometro lanciato per esempio, le competizioni con materiali speciali si svolgono con attrezzature ad elevato contenuto tecnico e tecnologico testate in galleria del vento: sci da 2.40 m di lunghezza con smorzamento delle vibrazioni, casco anatomico ed aerodinamico, tuta rivestita in polipropilene per ridurre l attrito imposto dall aria e scarponi aerodinamici con adeguata inclinazione, il tutto opportunamente The dunes are changed by the wind but the desert never changes Paulo Coelho What do the dunes of the desert, the face of a sphinx, a Formula 1 racing car, the sails of a boat competing for the America s Cup, the helmet of a one-kilometre speed skier and the shape of a last-generation skyscraper have in common? The wind! Because they are all designed by the wind. From time to time, the wind can design, sculpt, model, shape, bend, deform, excavate, empty, subtract, remove, put in place, deposit, erode.. The face of the Sphinx has been subjected over the centuries to the erosive action of the sand and wind, giving it its current appearance, and the same applies to the other items listed, characterised by the fact that they have the most suitable shape for reacting to the action of the air and wind (evaluation of aerodynamic resistance) or playing up to it. A dune, for example, is a hill of sand modelled by the wind and therefore subject to continuous shifting and changes in size depending on the direction and on the force of the wind. Wind and air, however, also have a decisive role in the generation and design of artificial items that have to interact with them, so much so that in many cases it is necessary to analyse the aerodynamic behaviour of these parts. In the auto motive industry, sports technology, aeronautics and boating, many research studies are conducted precisely in order to evaluate aerodynamic aspects. In one-kilometre speed skiing, for example, the races using special materials take place with highly technical and studiato e testato in galleria del vento. Anche il progetto delle vele da regata richiede accurati e complessi studi aerodinamici che necessitano di simulazioni per verificarne un efficace comportamento nelle diverse condizioni di vento e nelle diverse andature, richiedendo contemporaneamente verifiche di tipo strutturale (analisi aeroelastiche). La conoscenza delle azioni aerodinamiche è di fondamentale importanza non solo per la progettazione ed il design di automobili, velivoli o attrezzature sportive, ma anche per il dimensionamento degli edifici di grandi dimensioni a sviluppo prevalentemente verticale (high-rise building e skycrapers), sia per la definizione della forma, che per studi sul comportamento dell involucro, ma anche per valutare le azioni, gli sforzi e le deformazioni indotti dal vento (pressioni, depressioni, turbolenze, instabilità, oscillazioni, vibrazioni, fenomeni di risonanza). Gli effetti del vento hanno infatti una rilevante importanza nella progettazione delle strutture civili e questi possono essere valutati ricorrendo a studi di aerodinamica applicata, di aeroelasticità, di metodologie di simulazione virtuale e ottimizzazione oltre che a prove in galleria del vento. In particolare nell ambito dell ingegneria del vento in campo civile, i principali fenomeni di aeroelasticità si dividono in fenomeni di aeroelasticità statica e aeroelasticità dinamica. Alla prima famiglia appartiene il fenomeno della divergenza torsionale (torsional divergence), mentre alla seconda appartengono i fenomeni del distacco dei vortici (vortex shedding) e fenomeni di sincronizzazione (lock-in), le oscillazioni galoppanti (galloping), il flutter (vibrazione aeroelastica autoeccitata) ed il buffeting (dovuto alla turbolenza) Modelli per la sperimentazione aerodinamica all interno della Galleria del Vento del Politecnico di Milano (GVPM) Models for aerodynamic experiments in the Milan Polytechnic Wind Tunnel (GVPM) technological equipment that has been tested in wind tunnels: skis 2.40 metres long with vibration-damping arrangements, anatomical and streamlined helmets, ski-suits coated with polypropylene to lower fiction caused by the air and streamlined boots shaped with a specific angle of inclination. All of these are studied and tested in wind tunnels. Designing sails for racing boats also requires precise and complex aerodynamic studies entailing simulations in order to investigate effective behaviour in different wind conditions and at different speeds. At the same time, structural investigation (aeroelastic analysis) is also required. Knowledge of aerodynamic action is essential not only for designing cars, aircraft or sports equipment, but also for sizing large and mainly vertically developed buildings (high-rise buildings and skyscrapers), both for defining their shapes and for studying the behaviour of the cladding and also in order to evaluate the action, forces and deformations induced by the wind (pressure, depressions, turbulence, instability, oscillations, vibrations, resonance). Indeed, the effects of wind have considerable importance in the design of civil structures. And these can be evaluated by means of applied aerodynamic and aeroelastic studies, using virtual simulation and optimisation methods, in addition to wind-tunnel tests. In particular in the field of wind engineering in the civil engineering field, the main aeroelastic phenomena can be broken down into those of static aeroelasticity and dynamic aeroelasticity. Frames marzo - aprile

3 T E c N L G I A ingegneria dell involucro Lo studio in galleria del vento dell aerodinamica di strutture come edifici a grande sviluppo verticale, di ponti a grandi luci o di grandi coperture, permette di ottenere informazioni necessarie per una accurata progettazione consentendo per altro di evidenziare possibili problemi inattesi che potrebbero verificarsi in determinate condizioni di esercizio. L interazione tra fluido (aria) e struttura può infatti manifestare una risposta dinamica significativa che deve essere considerata in fase di progetto. Per questo motivo ad esempio, la valutazione del comportamento del vento deve essere analizzata attentamente anche nelle aree pedonali circostanti agli edifici analizzati I problemi legati all azione del vento sugli edfici a torre sono stati verificati con simulazioni nella Galleria del Vento del Politecnico di Milano (GVPM). Progetto Citylife, Milano. 3 per valutare il comfort dei pedoni stessi. Simulazioni in galleria del vento sono particolarmente utili nel caso di strutture a forma libera (free form) o a forma complessa, ma anche nel caso di edifici particolarmente aerodinamici al fine di prevedere effetti secondari che potrebbero essere negativi. Le prove sperimentali possono naturalmente essere integrate o in alcuni casi sostituite con simulazioni numeriche mediante l ausilio di computer attraverso studi CFD (computational fluid dynamics). Come già detto le simulazioni delle azioni del vento su modelli fisici richiedono invece prove in galleria del vento. Vediamo allora nel dettaglio in che cosa consiste appunto una galleria del vento. Una galleria del vento è un apparecchiatura che viene utilizzata per studiare l andamento di un flusso di un fluido (tipicamente aria) attorno ad un corpo. In particolare si effettuano simulazioni atte ad ottenere misurazioni e valori relativi a: n velocità globali e locali, n misure di pressione, n misure di temperatura, n misure di forze esercitate dal fluido sul corpo. In galleria del vento vengono inoltre effettuate anche le così dette visualizzazioni, che possono essere superficiali oppure del campo di velocità. Nel primo caso il corpo del modello da analizzare viene spruzzato di particolari sostanze sensibili a temperature, pressioni oppure forze di attrito. Nel secondo caso vengono utilizzati coloranti o fumi che consentono la visualizzazione, appunto, dell andamento di un fluido attorno al corpo. Le visualizzazioni possono essere effettuate in un altro modo usando dei filetti di lana attaccati alla superficie oppure attaccati a dei sostegni che vengono opportunamente movimentati per andare a studiare gli effetti in particolari zone del campo Problems with the action of wind on tall buildings are tested with simulations in the Milan Polytechnic Wind Tunnel (GVPM). Project by Citylife of Milan. 54 Torsional divergence belongs to the first family, while vortex shedding and lock-ins, galloping, flutters and buffeting belong to the second. Wind-tunnel studies of structures such as high-rise buildings, long bridges or large roofs enable information needed for accurate design to be obtained, also allowing possible unexpected problems that might occur in specific operating conditions to be highlighted. The interaction between a fluid (air) and the structure may exhibit a significant dynamic response that must be considered in the project stage. For this reason, for example, wind behaviour must be carefully analysed also in pedestrian areas surrounding the buildings being analysed, in order to assess the comfort of pedestrians. Simulations in a wind tunnel are particularly useful in the case of free-form or complex-shaped structures, but also for particularly streamlined buildings for the purpose of forecasting secondary effects that might be negative. Experimental tests can, of course, be completed or in some cases replaced by computer-aided numerical simulations in the form of CFD (computational fluid dynamics) studies. As already stated, simulation of the action of wind on physical models requires, on the other hand, wind-tunnel tests. Now let is see in detail what a wind tunnel is. A wind tunnel is used to investigate the behaviour of a fluid (typically air) around a body. In particular, simulations able to obtain measurements and values referred to the following are carried out: n Global and local speeds, n Pressure measurements, n Temperature measurements;

4 5 Alla base delle prove in galleria del vento vi è il cosiddetto principio di reciprocità, il quale afferma che dal punto di vista del valore delle grandezze fisiche che vengono misurate e dell andamento dei flussi sul corpo, è indifferente muovere un corpo in un fluido fermo o muovere il fluido attorno ad un corpo fermo. Le gallerie del vento comprendono tre tipi di impianti rivolti, rispettivamente, al settore aeronautico, alle prove sui veicoli, e alle misure civili e ambientali. Tipicamente nelle gallerie del vento vengono effettuati test e simulazioni su aeroplani, automobili, treni, elicotteri,e motociclette. Prove in galleria vengono fatte anche su ciclisti, sciatori e atleti per gare su ghiaccio come per i bob e i pattinatori. Vengono provati anche edifici, ponti, generatori eolici, portaerei e in generale tutti i veicoli e oggetti che si muovono nell aria. La prova di edifici e strutture come i ponti viene fatta simulando l andamento temporale e spaziale dei venti del luogo dove sorgeranno queste strutture. Le prove sugli edifici consentono inoltre di ottenere informazioni su come, ad esempio, l inquinamento da fumi di industrie può influire e interagire con i centri abitati. Va sottolineato che in galleria del vento si provano prototipi e modellini degli elementi, o degli oggetti da valutare, in scala ridotta, e proprio per questo motivo vengono a crearsi una serie di problematiche intrinseche ed inevitabili. La teoria della similitudine dinamica completa infatti, impone delle condizioni sulle dimensioni dei modelli che costringerebbero ad effettuare le prove non su modelli in scala ridotta bensì in dimensioni reali, con le ovvie conseguenze che questo può portare, sia in termini economici che di gestione di realizzazione. Le simulazioni vengono fatte cercando di riprodurre sui modelli in galleria del vento alcuni parametri come i numeri di Reynolds, Eulero, Froude, Cauchy e Mach, dai quali dipendono alcuni fenomeni di rilevante interesse (Separazioni di strato limite, fenomeni di compressibilità, n Measurement of the forces exerted by the fluid on the body. So-called visualisations are also carried out in wind tunnels. These can concern surfaces or the field of speed. In the first case, the body of the model to be analysed is sprayed with special substances sensitive to temperature, pressure or attrition. In the second case, dyes or fumes are used, which enable the behaviour of a fluid around a body to be viewed. Viewing can also be carried out in another way using thin threads of wool attached to the surfaces or to supports that are moved in a formazione di fenomeni ondosi nel campo aerodinamico, scambi termici tra strato limite e corpo). La teoria della similitudine, come accennato, impedisce però che, a parità di fluido, si possano effettuare simulazioni con modelli rispettando tutti i parametri sopra elencati contemporaneamente. Questo problema è praticamente irrisolvibile e quindi per fare fronte a questo inconveniente esistono gallerie aventi dimensioni molto variabili tra di loro, come detto in precedenza, che sono capaci di rispettare contemporaneamente solo alcuni dei numeri sopra elencati, a seconda delle diverse esigenze. Questo comporta che per avere informazioni precise e complete, si debbano effettuare prove con modelli dalle dimensioni diverse e in gallerie del vento diverse facendo crescere notevolmente i costi di prova. ltre a ciò va evidenziato che i dati ricavati dalle varie simulazioni non sono sempre completamente aderenti alla realtà e tantomeno non sono mai uguali e riproducibili se si cambia galleria del vento. Questo ha portato allo sviluppo di algoritmi e modelli matematici sempre più complessi e precisi che suitable manner, so as to investigate the effects in special parts of the field. Wind-tunnel testing is based on the so-called principle of reciprocity, which states that from the point of view of the value of the physical magnitudes measured and of behaviour of the streams on the body, it makes no difference whether a body is moved in a still fluid or the fluid is moved around a still body. There are three types of wind tunnel designed for the aeronautical field, for vehicle testing and for civil and environmental measurements respectively. Frames marzo - aprile

5 T E c N L G I A ingegneria dell involucro siano in grado di trasferire e interpretare correttamente i dati ricavati in galleria del vento al fine di prevedere nel modo più accurato possibile il comportamento dell oggetto realizzato. Questo problema richiede particolare attenzione proprio perchè è un problema rilevante nelle simulazioni in galleria del vento e non deve mai essere sottovalutato. Vediamo ora nel dettaglio come possono essere classificate le diverse gallerie del vento. Le gallerie del vento si dividono in due categorie principali: n gallerie a ciclo aperto n gallerie a ciclo chiuso. Un ulteriore classificazione delle gallerie del vento distingue le gallerie 8 a ciclo chiuso rispetto alla velocità del flusso in camera di prova in: n gallerie subsoniche incomprimibili (se il numero di Mach della corrente è compreso tra 0 e circa 0,3); n gallerie subsoniche comprimibili (se il numero di Mach della corrente è compreso tra circa 0,3 e circa 0,8); n gallerie transoniche (se il numero di Mach della corrente è compresa tra 0,8 e 1,2); n gallerie supersoniche (se il numero di Mach della corrente è compreso tra 1,2 e 5); n gallerie ipersoniche (se il numero di Mach della corrente è superiore a 5). Nel caso della Galleria del Vento del Politecnico di Milano CIRIVE, i carichi globali vengono definiti usando una bilancia a sei componenti che fornisce le forze ed i momenti alla base dei modelli. Il carico sulle facciate è valutato attraverso la misura della distribuzione di pressione superficiale su modelli in scala. Utilizzando scanner di pressione veloci, sono acquisiti simultaneamente ad alta frequenza alcune centinaia di punti di misura per definire sia la componente statica che dinamica dei carichi. L integrazione della pressione superficiale fornisce inoltre le forze globali sulla struttura. Modelli aeroelastici sono appositamente progettati per studiare gli effetti dinamici dovuti all interazione tra fluido e struttura. La simulazione del vento naturale è un punto chiave nello studio degli effetti del vento stesso; tale simulazione è favorita dalle rilevanti dimensioni della camera di prova a strato limite che permette, inoltre, di condurre prove su modelli con ridotti fattori di scala (1/50 1/200) e rilevanti dettagli geometrici. L effetto dei carichi vento viene descritto a partire dalla conoscenza della variazione dei coefficienti aerodinamici in funzione dell intensità e della direzione della corrente. Nel caso di forme tozze ed irregolari che spesso vengono adottate per le costruzioni si può verificare la formazione di vortici turbolenti complessi, la cui adeguata simulazione 40 Typically, wind tunnels are used for tests and simulations involving aircraft, motor vehicles, trains, helicopters and motorcycles. Wind- 9 tunnel tests are also carried out on cyclists, skiers and athletes competing in ice sports such as bob-sledding and skating. Tests are also carried out concerning buildings, bridges, wind-energy generators, aircraft carriers and, generally speaking, any vehicle or object that moves in air. Testing of buildings and structures such as bridges is carried out by simulating the behaviour of the wind in time and space in the place where the structures are to be built. Testing of buildings also enables information to be obtained about how pollution caused by industrial fumes, for example, could affect and interact with residential areas. It must be stressed that wind-tunnel tests are carried out on small-scale prototypes and models of the items to be assessed. For this reason, a series of intrinsic and inevitable problems arise. The theory of complete dynamic similitude sets conditions for the sizes of the models that would force tests to be carried out on full-scale models rather than on a smaller scale, with the obvious consequences that this would lead to in terms both of cost and of management. Simulations are carried out endeavouring to reproduce certain parameters on the wind-tunnel model such as Reynolds, Euler, Froude, Cauchy and Mach numbers, on which some phenomena of great interest depend (limit layer separations, compressibility, formation of waves in the aerodynamic field, exchanges of heat between the limit layer and the body). As mentioned, however, according to the similitude theory, for the same fluid, it is not possible to carry out simulations with models that comply simultaneously with all the parameters listed above. This problem is practically impossible to solve, and therefore, in order to cater for this drawback, there are tunnels sized very differently from one another, as already stated, that are capable of complying with only a few of the numbers listed above at the same time, depending on the various needs. This means that in order to obtain precise and complete

6 11 10 richiede l utilizzo di opportuni modelli di turbolenza. L attività scientifica svolta in questo campo ha riguardato lo sviluppo di modelli di turbolenza in grado di descrivere le azioni anisotropiche dei vortici sul flusso principale. Il vento tuttavia può anche determinare delle scelte progettuali finalizzate sia all analisi del comportamento dell involucro in termini strutturali e meccanici che all impiego del vento stesso a fini energetici. Il panorama mondiale dell architettura è attualmente ricco di progetti di grattacieli ecologici (green building) che utilizzano l energia del vento per sopperire al proprio fabbisogno energetico. Si ringrazia la Galleria del Vento del Politecnico di Milano (GVPM) per le informazioni fornite Glass and metal covering with three-dimensional surfaces for expansion of the offices of Hill s Place in London. Project by Future Systems/Amanda Levete Diagrams illustrating the performance of the Genova Towers model information, it is necessary to carry out tests with models of different sizes and in different wind tunnels, which causes the costs to rise considerably. In addition to this, it must be pointed out that the data obtained from different simulations are not always in line with reality, and are even less identical or reproducible for different wind tunnels. This has led to the development of increasingly complex and precise algorithms and mathematical models capable of transferring and interpreting correctly the data obtained in wind tunnels, so as to forecast the behaviour of the object being investigated as accurately as possible. This problem requires special attention, precisely because it is a significant problem in wind-tunnel simulations, and it s importance must never be underestimated. Let us now look in detail at how the different tunnels can be classed. There are two main categories: n pen-cycle tunnels n Closed-cycle tunnels. Another system classes closed-cycle tunnels on the basis of the velocity of the flow inside the test chamber: n Incompressible subsonic tunnels (if the Mach number of the current is between 0 and about 0.3); n Compressible subsonic tunnels (if the Mach number is between about 0.3 and about 0.8); n Transonic tunnels (if the Mach number is between 0.8 and 1.2); n Supersonic tunnels (if the Mach number is between 1.2 and 5); n Hypersonic tunnels (if the Mach number of the current exceeds 5) Rivestimenti in vetro e metallo con superfici tridimensionali per l ampliamemo degli uffici Hill s Place, Londra. Progetto Future Systems/Amanda Levete Diagrammi delle prestazioni verificate sul modello Torri di Genova In the case of the Milan Poplòytechnic wind tunnel CIRIVE the overall loads are defined using a six-component balance that supplies the forces and the moments underlying the models. The load on the façades is assessed by measuring the distribution of surface pressure on scale models. Several hundred measuring points are acquired simultaneously at high frequency using fast pressure scanners, so as to define both the static and the dynamic components of the loads. Inclusion of the surface pressure also provides the overall forces acting on the structure. Aeroelastic models are designed specifically for studying the dynamic effects due to the interaction between the fluid and the structure. Simulation of natural wind is a key issue in studying the effects of wind, and this simulation is facilitated by the large size of the limit-layer type test chamber. In addition, it enables tests to be conducted on small scales (1:50 to 1:200) and significant geometrical details. The effect of wind loads is described starting out from knowledge of the variations of the aerodynamic coefficients in relation to the intensity and direction of the current. In the case of stocky and irregular shapes that are often adopted for buildings, it is possible to investigate the formation of complex turbulent vortexes, adequate simulation of which requires the use of appropriate turbulence models able to describe the anisotropic action of the vortexes on the main flow. Wind, however, can also condition design choices aimed both at analysing the behaviour of cladding in structural and mechanical terms and at use of the wind itself for producing energy. The world overview of architecture is currently rich in green skyscrapers using wind energy to fill their energy needs. We thank the Milan Polytechnic Wind Tunnel (GVPM) for the information provided 12 Frames marzo - aprile