Porous envelopes for VIV mitigation: aerodynamic effects and numerical modelling

This thesis investigates the aeroelastic effects of porous envelopes on high-rise buildings, with particular focus on vortex shedding and vortex-induced vibrations (VIV). Permeable double-skin façades, already adopted for architectural and energy-related purposes, have been shown to modify the aerodynamic behaviour of the structure. However, their influence on VIV has not been systematically assessed, and the physical mechanisms governing this interaction remain unclear. At the same time, the numerical modelling of porous media in wind engineering is still limited by the multiscale nature of the problem. Explicitly resolving millimetric features within atmospheric boundary layer scale simulations is computationally unfeasible, leading to the adoption of homogenized approaches. While these models provide an efficient representation of porous media, a consistent methodology for their calibration, and a systematic validation in unsteady flow conditions, are still lacking. Within this framework, the thesis combines wind tunnel experiments and Computational Fluid Dynamic (CFD) simulations to investigate both the aeroelastic response of porous envelopes and the modelling of their aerodynamic behaviour. Experimental results demonstrate that porous façades can mitigate VIV, although their effectiveness depends on structural damping and initial conditions. In parallel, a multiscale modelling approach is developed to characterize porous media and derive consistent input parameters for homogenized CFD models, enabling their application to building-scale simulations. The numerical analysis, based on the validated framework, shows that the observed mitigation is associated with modifications of vortex shedding, including changes in wake structure, frequency content, and spatial coherence of the aerodynamic forcing. From a scientific perspective, the work provides a consistent interpretation of the role of porosity in the transition from vortex shedding to VIV. From an engineering perspective, it demonstrates that porous envelopes can be employed as passive aerodynamic control devices, supporting their integration with conventional mitigation strategies. From a methodological perspective, it delivers a validated and transferable framework for the aerodynamic characterization and modelling of porous media, enabling their efficient representation in CFD and extending their application to a wide range of wind engineering problems.

Questa tesi indaga gli effetti aeroelastici degli involucri porosi sugli edifici alti, con particolare attenzione al distacco vorticoso (*vortex shedding*) e alle vibrazioni indotte dai vortici (*Vortex-Induced Vibrations*, VIV). Le facciate permeabili a doppia pelle, già adottate per finalità architettoniche ed energetiche, hanno dimostrato di modificare il comportamento aerodinamico della struttura. Tuttavia, la loro influenza sulle VIV non è stata finora valutata in modo sistematico e i meccanismi fisici che governano tale interazione rimangono ancora poco chiari. Allo stesso tempo, la modellazione numerica dei mezzi porosi nell’ingegneria del vento è tuttora limitata dalla natura multiscala del problema. La risoluzione esplicita di dettagli dell’ordine dei millimetri all’interno di simulazioni che operano alla scala dello strato limite atmosferico risulta computazionalmente proibitiva, rendendo necessario il ricorso ad approcci omogeneizzati. Sebbene tali modelli consentano una rappresentazione efficiente dei mezzi porosi, manca ancora una metodologia coerente per la loro calibrazione e una validazione sistematica in condizioni di flusso non stazionario. In questo contesto, la tesi combina esperimenti in galleria del vento e simulazioni di Fluidodinamica Computazionale (CFD) per investigare sia la risposta aeroelastica degli involucri porosi sia la modellazione del loro comportamento aerodinamico. I risultati sperimentali dimostrano che le facciate porose possono mitigare le VIV, sebbene la loro efficacia dipenda dallo smorzamento strutturale e dalle condizioni iniziali. Parallelamente, viene sviluppato un approccio di modellazione multiscala per caratterizzare i mezzi porosi e derivare parametri di input coerenti per modelli CFD omogeneizzati, consentendone l’applicazione a simulazioni alla scala dell’edificio. L’analisi numerica, basata sul quadro metodologico validato, mostra che la mitigazione osservata è associata a modifiche del distacco vorticoso, tra cui cambiamenti nella struttura della scia, nel contenuto in frequenza e nella coerenza spaziale delle forzanti aerodinamiche. Dal punto di vista scientifico, il lavoro fornisce un’interpretazione coerente del ruolo della porosità nella transizione dal distacco vorticoso alle vibrazioni indotte dai vortici. Dal punto di vista ingegneristico, dimostra che gli involucri porosi possono essere impiegati come dispositivi passivi di controllo aerodinamico, favorendone l’integrazione con le strategie di mitigazione convenzionali. Dal punto di vista metodologico, propone un quadro validato e trasferibile per la caratterizzazione aerodinamica e la modellazione dei mezzi porosi, consentendone una rappresentazione efficiente nelle simulazioni CFD ed estendendone l’applicabilità a un’ampia gamma di problemi dell’ingegneria del vento.