FORMATO DE ARTIGO PARA JORNADAS 2012“CARGAS AERODINAMICAS SOBRE UN GRAN EDIFICIO EN
PUNTA DEL ESTE, URUGUAY” 1De Bortoli, Mario E.; 1Wittwer, Adrián R.; 1Marighetti, Jorge O.; 1Udrizar Lezcano, 1Sandra;
Alvarez y Alvarez, Gisela.
Profesor, Facultad de Ingeniería, Universidad Nacional del Nordeste, Resistencia, Argentina.
jomaringha@gmail.com Resumen Se analizan en este trabajo cargas aerodinámicas sobre un edificio construido en Punta del Este, Uruguay, con una altura aproximada de 80 m. La fachada presenta una geometría exterior cilíndrica con salientes de cantos angulosos; su forma resulta sensible al punto de desprendimiento de la capa límite sobre la superficie de la estructura debido al efecto del Número de Reynolds. Los ensayos se efectuaron en el Túnel de Viento “Jacek P. Gorecki” de la UNNE, sobre el modelo a escala 1/200, utilizando una simulación de viento natural por el método de Counihan, considerando dos categoría de viento: suburbano, considerando una dirección de viento y de mar abierto considerando otra dirección. Se modeló el entorno edilicio hasta un radio de 200 m, incluyendo edificios muy próximos de altura similar al analizado. En el modelo a escala del edificio, se reprodujeron todos los detalles de relevancia aerodinámica; determinándose las presiones locales y globales en la superficie exterior para 24 direcciones de viento incidente. Son medidos valores medios, de pico máximo, mínimo y rms de los coeficientes de presión local el edificio en su entorno real y se determinaron las cargas de viento. Palabras-clave: túnel de viento, coeficientes aerodinámicos, efectos del entorno urbano Abstract The aerodynamic loads on a building in Punta del Este, Uruguay, with an approximate height of 80 m are analyzed in this wok. The building has a cylindrical outer geometry with projections of sharp edges; and its shape is sensitive release point of the boundary layer on the surface of the structure due to the effect of the Reynolds number. The tests were conducted in the wind tunnel "Jacek P. Gorecki" UNNE on the 1/200 scale model of that building, using a simulation of natural wind made from Counihan method; two wind category are used: from urban environment and the open sea; adding, the environment was modeled to a radius of 200 m, including similar next rise buildings. S scale model of the building, and details of aerodynamic importance are reproduced; determining local fluctuating pressures on the outer surface 24 of the incident wind directions, obtaining means minimum values, maximum peak, and rms of local pressure ratios for both the building isolated as its real environment. Key words: wind tunnel, aerodynamic coefficients, urban environment effects 1. INTRODUCCIÓN
Los ensayos en túnel de viento para la evaluación de cargas de viento sobre modelos reducidos de estructuras civiles requieren la reproducción de la capa límite atmosférica, los que, inicialmente, se realizaban con flujo uniforme y suave. Desarrollados desde los años `60, estas simulaciones de la capa límite se realizan
por medio de diversos métodos; Jensen [1], llevó a cabo experimentos en escala natural y en túnel de viento, con pequeños edificios y midiendo presiones medias; se emplearon varios tipos de capas límites caracterizadas por la longitud de rugosidad, demostrando que cuando este parámetro es igual a la altura del edificio las mediciones coincidían. Actualmente, se acepta que la reproducción de la capa límite atmosférica, obtenida cuando el flujo es obligado a escurrir sobre una superficie rugosa, produciendo un crecimiento natural de la capa límite simulada. De esta manera, quedó definitivamente establecido que una determinación de cargas de viento, teniendo en cuenta criterios de semejanza entre modelo y prototipo, requiere un particular tipo de túnel de viento conocido como túnel de capa límite, diferente de aquellos de uso aeronáutico. Para estos túneles se han desarrollado técnicas de simulación de la capa límite atmosférica que permiten reproducir a escala el perfil de velocidades medias y las características turbulentas del flujo atmosférico. Las normas de viento vigentes actualmente exigen que, para la determinación de cargas debido al viento atmosférico sobre estructuras civiles en ensayos en túnel de viento, deben considerar una adecuada simulación del escurrimiento de la capa límite correspondiente.
El Reglamento Argentino de Acción del Viento Sobre las Construcciones, CIRSOC 102 [2], define coeficientes de carga y procedimientos aplicables a estructuras civiles de formas regulares y de pequeño porte. Este reglamento sugiere, cuando las estructuras son de grandes dimensiones, formas geométricas no regulares o efectos de vecindad por la presencia de edificios cercanos, análisis de cargas de viento más detallado obtenido de estudios experimentales en túnel de viento; permite, además, obtener desarrollos más seguros desde el punto de vista de las acciones del viento. En ese sentido, el reglamento establece, en su Capítulo 6, las condiciones mínimas exigidas en los ensayos:
1. Las escalas de la componente longitudinal de la turbulencia atmosférica están modeladas aproximadamente a la misma escala que la usada para modelar el edificio u otra estructura.
Los métodos de rugosidad, barrera y dispositivos de mezclado (RBMD), que reproducen parámetros medios y fluctuantes en el escurrimiento simulado, permiten longitudes de rugosidad cortas. Con métodos propuestos por Counihan y Standen, es posible reproducir la capa límite atmosférica del escurrimiento a través de su espesor total, método de simulación de espesor total, que permite escalas aceptables para aplicaciones estructurales. Escalas de simulación más grandes es posible obtenerlas con métodos de simulación espesor parcial, que reproduce a parte más baja de la capa límite atmosférica [3].
2. La capa límite atmosférica natural ha sido modelada para tener en cuenta la variación de la velocidad del viento con la altura.
La reproducción en túnel de viento de la capa límite atmosférica, son considerados escurrimiento de vientos fuertes, con turbulencia generada mecánicamente, sobre la generada convectivamenete. Los códigos de viento más antiguos definían como velocidad de referencia para el cálculo de las cargas extremas con presión dinámica de referencia basada en la velocidad de viento de ráfaga (gust wind speed). Más recientemente, por conceptos derivados de A. G. Davenport [4], definían a la velocidad de viento extremo media en 10 minutos, como la referencia. En el primer caso, la seguridad es conservada, pues la presión debido a la velocidad es la máxima posible, y la influencia de la turbulencia en las cargas es
atenuar los picos locales de carga instantáneos; en tanto, en el segundo caso, es el conocimiento simultáneo de la carga media y de pico. Ambas formulaciones son equivalentes si su formalización es coherente; sin embargo, en este trabajo la referencia básica es obtenida para vientos medios de 10 minutos.
3. El edificio u otra estructura modelada, las estructuras y topografía circundantes son geométricamente similares a sus contrapartes en escala natural, excepto que, para edificios de baja altura que reúnan los requisitos del artículo 5.1, se permitirán ensayos para el edificio modelado en un único sitio de exposición tal como se define en el artículo 5.6.1.
Para modelar adecuadamente el escurrimiento en terrenos complejos, se consideran un campo de escurrimiento cercano, localmente perturbado y un campo de escurrimiento lejano, con características globales, de la misma manera que en un terreno plano. El campo lejano es determinado por la capa límite generado, aguas arriba, por el terreno, determinando las condiciones del escurrimiento sobre el sitio analizado, para alturas sobre el localmente campo cercano. El campo cercano perturbado, cerca del suelo, es determinado por perturbaciones en el escurrimiento debido a cambios en el terreno. Es altamente no homogéneo y no es posible definirlo adecuadamente, puede ser influenciado por condiciones existentes en el campo lejano.
4. El área proyectada del edificio u otra estructura y alrededores modelados es menor que el 8% del área de la sección transversal de ensayo, a menos que se haga una corrección por bloqueo.
5. Se ha tenido en cuenta el gradiente de presión longitudinal en la sección de ensayo del túnel de viento.
6. Los efectos del número de Reynolds sobre las presiones y las fuerzas están minimizados.
El flujo alrededor de una estructura más o menos de borde cortante es fuertemente determinado por la separación de flujos que forman calles vórticosas en la región de la estela. Los escurrimientos en la estela, son causados por procesos de separación de flujos, de comportamiento no estacionario; adicionalmente, la interacción del fluido y la estructura, o componentes estructurales, son posibles de causar vibraciones inducidas por el flujo, las cuales pueden generar resonancias o comportamientos auto-excitados.
7. Las características de respuesta del instrumental del túnel de viento son consistentes con las mediciones requeridas.
Ensayos de túneles de viento a escalas geométricas para terrenos circundantes, de varios cientos, es aceptada como suficientemente exactas para propósitos de ingeniería; usualmente, la escala mínima para una buena resolución de los instrumentos es de 1:10000 y las escalas de turbulencia 1:6000, con un número de Reynolds mínimo de 104.
El Laboratorio de Aerodinámica de la Facultad de Ingeniería de la UNNE, tiene como principal campo de aplicación el estudio del comportamiento de las estructuras dentro de la capa límite atmosférica, cuenta con un túnel de capa límite y el instrumental necesario para realizar ensayos estructurales con simulación de la capa límite atmosférica. El túnel de viento de la Universidad Nacional del Nordeste (UNNE), de 22,4 m de longitud de la cámara de ensayos, la simulación de la capa
límite ha sido simulada por los métodos de Counihan y Standen [5]; son obtenidos parámetros fluctuantes y medios para cuatro simulaciones de espesor parcial, usando dispositivos de simulación por los método de Couniham y Standen. Manteniendo la homogeneidad lateral en la cámara de ensayos, midiendo velocidades medias y perfiles de intensidad de turbulencia; las intensidades de turbulencia, las funciones de densidad espectral de potencia y las escalas integrales, en la dirección o componente longitudinal son derivados de valores medios y RMS de la velocidad. La determinación de la escala integral de longitud de la componente longitudinal de turbulencia, fue ajustada en la función espectral de potencia atmosférico de ESDU para las funciones de densidad espectral de cada simulación, utilizando la escala integral como parámetro de ajuste.
El presente estudio fue realizado por el Laboratorio de Aerodinámica de la Facultad de Ingeniería de la Universidad Nacional del Nordeste (UNNE). El trabajo fue llevado a cabo para determinar las cargas provocadas por viento atmosférico sobre un edificio torre en la ciudad de Punta del Este (54º55’21’’O, 34º56’48’’S) en la República Oriental del Uruguay, mediante análisis experimental en túnel de viento sobre un modelo a escala reducida, considerando el efecto de vecindad mediante la reproducción del entorno edilicio y superficial inmediato. Se determinaron para la torre coeficientes de presión local, coeficientes de fuerza global, coeficientes de momento de volcamiento, coeficiente de momento torsor, determinación de la dirección y punto de aplicación de la fuerza resultante para 24 direcciones de viento incidente. El edificio tiene una altura aproximada de 80 m y presenta una configuración más o menos de bordes cortantes con exterior cilíndrica. Se presentan los resultados obtenidos en ensayos realizados en el Túnel de Viento “Jacek P. Gorecki” de la Universidad Nacional del Nordeste (UNNE), sobre el modelo a escala 1/200 del edificio que reproduce todos los detalles de relevancia aerodinámica. Los ensayos fueron realizados utilizando una simulación del viento de CLA realizada a partir del método de Counihan. El modelo a escala incluye el entorno edilicio hasta un radio de 200 m, donde existen tres edificios muy próximos de altura similar al analizado. Las presiones fluctuantes locales en la superficie exterior de la torre fueron medidas para 24 direcciones de viento incidente, de acuerdo al tipo de ensayo, y a partir de estas mediciones, se obtuvieron. 2. DESCRIPCIÓN DEL TRABAJO EXPERIMENTAL
Los ensayos fueron realizados sobre un modelo rígido a escala reducida 1/200 en el túnel de viento “Jacek P. Gorecki” de la Facultad de Ingeniería de la UNNE, conforme al Capítulo 6 (Método 3-Procedimiento del túnel de viento) del Reglamento CIRSOC 102. Se reprodujeron condiciones reales de vecindad en torno a la estructura, características medias y parámetros de turbulencia del viento atmosférico correspondiente al terreno de emplazamiento de la estructura.
El modelo reducido de la torre, fue reproducido con su entorno natural y artificial hasta aproximadamente 2,5 veces la altura de la torre, en escala geométrica 1/200, compatible con la escala del viento atmosférico simulado en el túnel de viento. Las mediciones de las presiones estáticas originadas por el viento sobre el modelo se realizaron en la cámara de ensayos del túnel de viento, donde la velocidad máxima en vacío alcanza 25 m/s.
Se midieron presiones fluctuantes en la superficie exterior del modelo reducido por medio de tomas de presión estática, utilizando un sistema de medición
Scanivalve de 2×64 canales simultáneos (ZOC 33). Posteriormente se determinaron coeficientes de presión local correspondientes a las tomas de presión. Los ensayos fueron realizados con viento incidiendo desde 0º a 360º, con intervalos de 15º. Complementariamente, se determinaron coeficientes de presión neta sobre elementos estructurales específicos. Con los datos de las mediciones, para cada dirección de viento analizada, se determinaron los coeficientes de fuerza global, momento de volcamiento, momento torsor, punto de aplicación y dirección de la fuerza resultante. 2.1. Túnel de viento de la UNNE
El túnel “Jacek P. Gorecki” de la Universidad Nacional del Nordeste (UNNE) es un túnel de capa límite de circuito abierto, tipo Eiffel. La longitud total del túnel es de 39,65 m. La cámara de ensayos tiene 2,4 m de ancho × 1,8 m de alto × 22,8 m de largo (Figura 1). Posee dos mesas de ensayos giratorias de 1,2 m de diámetro; una a 3,8 m del inicio de la cámara (mesa I), y la otra a 19,4 m (mesa II). Un ventilador axial de 2,25 m de diámetro accionado por un motor trifásico inductivo de 92 kW produce una velocidad máxima en vacío de 25 m/s en la mesa II. La regulación de la velocidad se hace a través de un regulador de caudal mecánico.
Figura 1. Túnel de viento “Jacek P. Gorecki” de la Universidad Nacional del Nordeste. 2.2. Capa límite atmosférica simulada en cámara de ensayo
Para alcanzar escalas de simulación adecuadas para el análisis de
estructuras, la capa límite desarrollada en la cámara de ensayos, se logra haciendo escurrir aire sobre una superficie rugosa dispuesta en el piso del túnel de viento; sin embargo, el crecimiento natural del espesor de esta capa, requiere una excesiva longitud de rugosidad. Los métodos de rugosidad, barrera y dispositivos de mezcla,
reproducen parámetros medios y fluctuantes de la capa límite superando esta limitación, empleando longitudes de rugosidad más cortas. Los métodos de Counihan y Standen permiten desarrollar simulaciones de espesor total, con escalas aceptables para algunas aplicaciones estructurales, así como, simulaciones de espesor parcial, que reproducen la parte más baja de la CLA, y permiten obtener factores de escala mayores [6].
El factor de escala en el método de la simulación del espesor total puede ser determinado por la relación entre la altura gradiente de la CLA y el espesor de la capa límite simulada. Esta relación no puede ser obtenida en una simulación parcial, ya que no se reproduce la parte superior de la CLA. Entonces, para estimar el factor de escala, independientemente del espesor de la capa límite simulada, los parámetros característicos de la turbulencia medidos en el túnel son escalados y comparados con datos atmosféricos.
La técnica de simulación de la capa límite atmosférica implementada en el túnel de viento para estos ensayos se encuentra comprendida dentro de los métodos de rugosidad, barrera y dispositivo de mezcla, que permiten obtener escalas de simulación adecuadas para su utilización en el área estructural. La reproducción en túnel de viento de la capa límite atmosférica, son considerados escurrimiento de vientos fuertes, con turbulencia generada mecánicamente, por sobre generada convectivamente. Para generar un déficit inicial de cantidad de movimiento y distribuirlo en altura para obtener características semejantes a las atmosféricas (Figura 2). Conforme la clasificación que aparece en los reglamentos de viento, los flujos atmosféricos simulados corresponden a las categorías de mar abierto y terreno suburbano, en función de la longitud de rugosidad superficial a barlovento del modelo.
Figura 2. Generadores de Counihan, elementos de rugosidad para la simulación de la CLA.
El perfil de viento medio correspondiente, según el tipo de terreno simulado,
es descrito en términos de alguna de las dos leyes de distribución de velocidades medias; la ley potencial o la ley logarítmica. La Figura 3 muestra las principales características del escurrimiento incidente utilizado en estos ensayos; los perfiles de velocidades medias y perfiles de intensidad turbulencia [7].
Figura 3. Perfiles de velocidad media y perfil de intensidad de turbulencia.
El escurrimiento indicado como CL1 se aproxima al de una zona marítima
(n = 0,09), mientras que CL2 se puede asociar a una zona más próxima a la suburbana (n = 0,14). Para las direcciones de viento incidiendo desde el mar se utilizó CL1, en tanto que para las restantes se utilizó CL2. Los perfiles de velocidades medias, funciones de la ley de potencia, en altura son determinados por medio de los tubos Pitot-Prandtl y micromanómetros. 2.3. Modelo reducido de la torre y reproducción del entorno vecino
La configuración del escurrimiento desarrollada alrededor de edificios individuales configuran las cargas de vientos sobre el edificio, la distribución de presiones alrededor del mismo y su estela [8]. La superposición e interacción de configuraciones de flujo, asociado con la presencia de edificios vecinos gobiernan la distribución de las presiones superficiales sobre las fachadas y las direcciones de vientos y ráfagas. Con la presencia de edificios vecinos las líneas de corriente se modifican, alterando la configuración de circulación local, induciendo configuraciones modificadas de presión de succión y de estancamiento.
La semejanza de los coeficientes de presión obtenidos en ensayos en túnel de viento, sobre el modelo reducido de la torre, y el prototipo en escala real, dependen de la las condiciones de semejanza alcanzadas. Considerando el modelo de características rígidas, la semejanza geométrica con la estructura real es, el aspecto aerodinámico resulta el principal parámetro; con una escala geométrica de 1:200, reproduciendo todos los detalles de relevancia aerodinámica, está en correspondencia con la escala de simulación obtenida para el viento simulado.
Los efectos del entorno cercano, se evaluaron reproduciendo geométricamente modelos de edificios cercanos, de tamaño aerodinámicamente
0
50
100
150
200
250
300
Alt ura
s ( m)
relevante, y la rugosidad superficial, en un radio de 200 m alrededor de la torre en estudio; la particular disposición de los edificios vecinos se muestra en Figura 4 [9].
Figura 4. Modelo de la torre con reproducción del entorno inmediato dispuestos en cámara de ensayos del túnel de viento.
Cada una de las direcciones de incidencia del viento medidas, se reproducen la rugosidad y los edificios cercanos. En Figura 5 se indican la orientación de los ejes de referencia adoptados, dirección de viento incidente correspondiente a 0º y el sentido de giro para las sucesivas rotaciones de 15º, determinando 24 direcciones de viento.
Figura 5. Ejes de referencia y direcciones de viento incidente adoptados durante las mediciones en túnel de viento.
El factor de bloqueo, determinado por la relación entre el área total expuesta y el área de la sección transversal de la cámara de ensayos del túnel, fue obtenido para las direcciones de viento correspondientes a 0º y 180º. El área expuesta fue calculada haciendo la proyección de los modelos del edificio principal y los adyacentes sobre el plano normal a la dirección correspondiente. El valor del factor de bloqueo calculado para estas direcciones es menor al 8 % [10]. 2.4. Instrumental de medición
N
+xx -
+y
-y
W
270º
255º
240º
225º
330º
315º
300º
285º
0º
Registros de presiones fluctuantes en tomas de presión ubicadas sobre la superficie del modelo de la torre, fueron obtenidos mediante un sistema de medición de presiones simultáneas Scanivalve Corp. de 128 canales. Cada registro contiene 8192 valores por canal con una frecuencia de adquisición de 488,28 Hz. La presión dinámica de referencia q se obtuvo en forma simultánea a los registros de presiones conectando un tubo de Pitot-Prandtl a uno de los canales del sistema de medición, que se ubicó a barlovento del modelo (zona no perturbada) a la altura de referencia, equivalente a la altura máxima del modelo.
Las características de la simulación de la capa límite atmosférica en el túnel de viento se realizaron con mediciones de velocidades medias y fluctuantes de velocidad. Velocidades medias se determinaron con tubos de Pitot-Prandtl y micro- manómetro de Betz; el análisis de las velocidades fluctuantes se midió con anemómetro de hilo caliente Dantec 56C con placa de adquisición PCI-DAS 1602/16. 2.5. Ubicación de las tomas de presión estática en el modelo
El criterio en la distribución de tomas de presión en el modelo observa los
diferentes aspectos geométricos globales y locales en el diseño de la estructura, considerando zonas de fenómenos aerodinámicos localizados típicos localizados y zonas de cargas uniformes, en función de sus características y dimensiones. Es posible considerar dos grupos de tomas, teniendo en cuenta su localización y posterior aplicación al análisis de cargas de viento, locales o globales, y a la prevención de efectos localizados de viento no necesariamente asociados a cargas locales.
El primer conjunto de tomas está asociado con el análisis de cargas globales provocada por el viento sobre la estructura. Las tomas se ubican en áreas expuestas directamente a la acción del viento, ubicadas en los pisos 2, 7, 11, 16 , 22 y el Nivel B del helipuerto. En Figura 6, se aprecian las vistas laterales y ubicación de tomas de presión estática en los distintos niveles. En Figura 7 se muestra la distribución de las mismas en planta.
27'26' 25' 24' 23' 22' 21 22 23 24 25 2627
45' 44'43' 42' 40' 39' 38 39 40 42 43 44 45
64'63'62' 61' 60' 59' 58 59 60 61 626364
81'80'79' 75 76 77 79 80 8182
95 96i 97
toma presión externa toma presión interna
toma presión externa toma presión interna
FRENTE CONTRAFRENTE Figura 6. Esquema de ubicación del modelo, ejes de referencia adoptados e indicación de direcciones de viento incidente.
Sólo se agregaron tomas de presión en los balcones aerodinámicamente
representativos. En estos puntos sólo se consignan valores de coeficientes ya que están referidas a elementos estructurales específicos e individuales, o bien no reciben la incidencia directa del viento.
Fig. 7: Disposición de tomas de presión sobre el modelo, vista en planta, del nivel del Piso 2 y del Piso 22. 3. COEFICIENTES DE CARGAS DE VIENTO 3.1. Coeficientes de presión local
Las mediciones sobre el modelo reducido en registros temporales de las presiones de viento, fueron calculados coeficientes de presión externa. El coeficiente de presión media son determinados por,
q
( ) q
q pc max
330º
315º
300º
285º
siendo: p(t) presión fluctuante en la superficie del edificio, referida a la
presión estática de referencia. p valor medio de p(t) para el tiempo de muestreo T.
pmax valor máximo de p(t) para el tiempo de muestreo T. pmin valor mínimo de p(t) para el tiempo de muestreo T.
t variable tiempo. T el tiempo de muestreo.
2
2
1 Vq ρ= presión dinámica de referencia.
densidad del aire. V Velocidad media de referencia a una altura de referencia.
3.2. Coeficientes de fuerza global
Fuerza normal a la superficie del modelo, por presión estática local referidas a
las áreas tributarias, proyectados en ejes ortogonales x e y. Los coeficientes de fuerza para cada eje son:
Mz
donde,
Fx: componente de fuerza actuante en dirección x sobre el modelo. Fy: componente de fuerza actuante en dirección y sobre el modelo. qz: presión dinámica de referencia, medida a la altura de referencia.
El área de referencia, AR, definida como:
IIR HBA = (6)
donde,
BI: ancho de la fachada I correspondiente al frente de la torre. HI: altura total de la fachada I correspondiente al frente de la torre.
En este ensayo, los coeficientes de fuerza se determinaron a partir de los coeficientes de presión, integrando las acciones sobre cada área tributaria, conforme a la siguiente expresión:
R
(7)
donde,
n: es el número de tomas de la torre. jpc : es el coeficiente de presión neta o total correspondiente a la toma j.
jA : es el área tributaria de la toma j. βj: ángulo que forma la fuerza normal superficial respecto al eje y
positivo en sentido contrario a la agujas del reloj. AR: área maestra de referencia.
: 3.3. Coeficientes de momento de volcamiento
Los momentos de volcamiento se determinaron con las componentes, ejes x e
y, de las fuerzas, determinando coeficientes de momento de volcamiento para cada dirección de viento incidente. Las expresiones que definen el momento de volcamiento son,
IR
(8)
donde,
n: es el número de tomas de presión de la torre.
jpc : es el coeficiente de presión neta o total correspondiente a la toma j.
jA : es el área tributaria de la toma j.
βj: ángulo que forma la fuerza normal superficial respecto al eje y positivo en sentido contrario a la ajugas del reloj.
hj: altura de toma de presión jmedida desde nivel del suelo.
IH : altura total de la fachada I correspondiente al frente de la torre.
AR: área maestra de referencia. 3.4. Coeficientes de momento Torsor (CMt)
El coeficiente de momento torsor se determinó a partir de coeficientes de presión, integrando acciones sobre cada área tributaria y multiplicando por el brazo de palanca de cada fuerza tributaria respecto al centro de rigidez de la sección transversal de la estructura. Los momentos de giro de cada componente de fuerza respecto al eje z resultan en las expresiones:
IR
(9)
donde,
xj e yj son las distancias desde la toma a el centro de rigidez de la sección transversal.
Por último, el coeficiente de momento torsor resultante, es definido por la siguiente expresión,
MzyMzxMt CCC += (10)
4. APLICACIÓN DE COEFICIENTES OBTENIDOS EXPERIMENTALMENETE
Para extrapolar a condiciones de escala real, valores de cargas obtenidos en el modelo, se realizan con el siguiente procedimiento:
4.1 Cargas locales Las cargas locales se obtienen a partir de coeficientes de presión local por la
presión dinámica del sitio de emplazamiento y el área de referencia del elemento estructural considerado. La presión dinámica de referencia se midió a la altura máxima del modelo de torre. La velocidad de referencia, obtenida a 10 m de altura, es extrapolada a la altura máxima del edificio torre.
Una carga localizada sobre un elemento estructural, se determina multiplicando el coeficiente de presión local, que se corresponde con el área tributaria, por la presión dinámica; el área de referencia queda definida por el espacio de superficie de la estructura donde se admite una correlación espacial unitaria de los coeficientes de presión local. Las áreas tributarias de cada toma de presión fueron definidas como la separación media ente tomas en la dirección horizontal y vertical respectivamente (niveles de pisos).
4.2 Cargas Globales Las cargas globales se obtienen multiplicando los coeficientes globales por la
presión dinámica del sitio de emplazamiento y el área de referencia considerada. La presión dinámica de referencia, de igual manera que en el caso anterior, se corresponde con la altura máxima del modelo de la torre.
4.3 Determinación de la presión dinámica de cálculo en sitio ubicación
del edificio Para la determinación de las cargas de viento de acuerdo al Reglamento
Argentino de Vientos CIRSOC 102 (2001), se calculan los siguientes parámetros: • Velocidad básica del viento (Figura 1 A, Tabla Figura 1 B): V= 45 m/s (zona del Rio de la Plata, altura a la localidad de Punta del Este) Velocidad de ráfaga promediada en tres segundos con nivel de recurrencia de
0,02 a 10 metros de altura. • Factor de direccionalidad del viento Kd : 0,85 • Factor de importancia, Categoría III - I= 1,15 • Categorías de exposición para componentes y revestimientos (altura
del terreno h > 20 m, 80 m) - KZ= 1,69 • Factor topográfico KZT: 1 • Factor efecto de ráfaga G: 0,85
• Coeficientes de presión local externa Cp y coeficientes de fuerza global CF: se utilizan los coeficientes de presión local medios máximos y mínimos sobre cada toma de presión, obtenidos en ensayos en túnel de viento.
• Presión dinámica qz de cálculo: qz= 2050,64 N/m2 • Carga de viento de diseño, presión P, fuerza F o momento:
Pmax = qz G Cpmax [N/m2] Pmin = qz G Cpmin [N/m2]
Fmax = qz G CFMax AR [N] MVmax = qz G CFMax AR W [KNm] MTmax = qz G CFMax AR W [KNm]
5. RESULTADOS Los resultados obtenidos en los ensayos realizados en túnel de viento con el modelo reducido de la torre, considerando el entorno cercano al edificio torre principal, para 24 direcciones de viento incidente, son presentados a continuación; se presentan coeficientes de presión local máximos y mínimos, actuando sobre áreas tributarias locales, sobre áreas de las fachadas de la torre de igual carga y los momentos de volcamiento, debido a fuerzas globales calculadas sobre áreas de referencia. 5.1. Cargas localizadas máximas sobre las áreas tributarias locales
En Tabla 1 se consignan parcialmente coeficientes de presión local máximos y la presión máximas obtenidos en la dirección donde esto ocurre para las tomas de presión del Piso 2 y el Piso 22. La presión máxima es determinada con el coeficiente de presión local máximo, la presión dinámica de cálculo y factor de ráfaga. El nivel de referencia (nivel cero) es medido desde el nivel del suelo.
Piso 2 Piso 22 Toma Angulo CPL máx Pmax
(N/m2) Toma Angulo CPL máx Pmax
(N/m2) 1 0 0,57 993,53 75 0 0,68 1185,27 2 345 0,50 871,52 76 345 0,70 1220,13 3 345 0,62 1080,69 77 345 0,58 1010,96 4 345 0,51 888,95 78 345 0,69 1202,70 5 300 0,59 1028,39 79 330 0,74 1289,85 6 300 0,63 1098,12 80 300 0,82 1429,29 7 300 0,46 801,80 81 300 0,56 976,10 8 270 -0,10 -174,30 82 300 0,14 244,03 9 270 0,23 400,90 83 255 0,26 453,19 10 300 0,34 592,63 84 300 0,53 923,81 11 300 0,43 749,51 85 285 0,38 662,36 12 300 0,62 1080,69 86 285 0,43 749,51 13 270 0,40 697,22 87 255 0,79 1377,00 14 225 0,22 383,47 88 240 0,86 1499,02 15 225 0,42 732,08 89 210 0,81 1411,86 16 210 0,56 976,10 90 225 0,81 1411,86 17 210 0,50 871,52 91 195 0,75 1307,28
18 210 0,61 1063,26 92 195 0,72 1254,99 19 210 0,50 871,52 93 195 0,72 1254,99 20 195 0,47 819,23 94 180 0,76 1324,71
Tabla 1 – Valores de coeficientes de presión local máximos y presión máxima para el Piso 2 y Piso 22.
En Tabla 2 se consignan coeficientes de presión local mínimos y la presión mínima, obtenidos en la dirección donde esto ocurre para las tomas de presión del Piso 2 y el Piso 22.
Piso 2 Piso 22 Toma Angulo CPL min Pmin
(N/m2) Toma Angulo CPL min Pmin
(N/m2) 1 165 -1,07 -1865,06 75 165 -1,1 -1917,35 2 165 -1,14 -1987,07 76 165 -1,04 -1812,76 3 165 -1,03 -1795,33 77 165 -1,09 -1899,92 4 165 -1,06 -1847,62 78 165 -1,04 -1812,76 5 30 -2,37 -4131,01 79 30 -1,91 -3329,21 6 30 -1,5 -2614,56 80 240 -1,41 -2457,69 7 210 -1,53 -2666,85 81 225 -1,73 -3015,46 8 0 -1,2 -2091,65 82 210 -0,58 -1010,96 9 210 -1,27 -2213,66 83 210 -1,55 -2701,72
10 210 -1,4 -2440,26 84 210 -1,4 -2440,26 11 210 -1,44 -2509,98 85 210 -1,52 -2649,42 12 210 -1,4 -2440,26 86 210 -1,48 -2579,70 13 330 -1,28 -2231,09 87 330 -1,02 -1777,90 14 345 -1,04 -1812,76 88 150 -1,17 -2039,36 15 135 -1,09 -1899,92 89 150 -1,79 -3120,05 16 135 -1,91 -3329,21 90 150 -1,2 -2091,65 17 345 -0,97 -1690,75 91 345 -0,92 -1603,60 18 345 -0,98 -1708,18 92 345 -0,9 -1568,74 19 345 -1,02 -1777,90 93 345 -0,89 -1551,31 20 345 -1 -1743,04 94 345 -0,88 -1533,88
Tabla 2 – Valores de coeficientes de presión local mínimos y la presión mínima para el Piso 2 y Piso 22.
Para el análisis de los valores de coeficientes globales, en el caso del modelo
con reproducción de los edificios vecinos y el entorno próximo, se analizaron coeficientes locales máximos en la dirección de viento incidente en que estos ocurren, de tomas de presión para dos niveles de altura, el Piso 2 y el Piso 22. En Tabla 1 y Tabla 2, se muestran esos valores, indicando un conjunto de direcciones de viento, semejantes para ambos niveles, donde se producen los más altos valores de coeficientes de presión máximos y mínimos y presión sobre áreas tributarias. El rango de direcciones del viento, inciden en la fachada frontal, 0º, y fachada trasera de la torre, 180º, provienen de terrenos con categoría sub-urbana y mar abierto, respectivamente. La configuración de cargas se encuentra afectada por la presencia de los edificios vecinos; se observan coeficientes de presión mínimos (negativos) más intensos y definidos en áreas opuestas a la dirección de incidencia del viento;
en tanto, los coeficientes máximos (positivos) presentan valores moderados, aun cuando la incidencia del viento es directa. 5.2. Coeficientes globales de Fuerza (CF), Momento de Volcamiento (CMV) y de Momento Torsor (CMT)
Las magnitudes de los Coeficientes globales, son dimensionalizadas multiplicando por sus áreas tributarias. El área de referencia de los coeficientes globales de la estructura es definida como el producto del ancho máximo de la estructura en planta, W= 42,20 m, por la altura máxima del edificio, 81,80 m, desde el nivel cero de referencia. Los coeficientes globales de fuerza máximos ocurren a 30º grados de dirección de viento; utilizando estos coeficientes, se determinan los valores máximos de coeficientes de fuerza, momento de volcamiento y momento torsor, respectivamente; se expresan en componentes x e y, valores resultantes y totales. En Tabla 3 y Tabla 4 se representan estos valores para el nivel de tomas del Piso 2 y el piso 22.
Coef.
30º
Altura m
Ancho m
Sección m2
Fza KN
CFyp2 0,94 17,50 42,20 738,5 1215 CFxp2 0,77 17,50 42,20 738,5 992 CFRp2 1,01 17,50 42,20 738,5 1301 CFyp22 0,62 14,00 42,20 590,8 636 CFxp22 0,66 14,00 42,20 590,8 677 CFRp22 0,89 14,00 42,20 590,8 918
CFy 0,76 81,80 42,20 3451,96 4562 CFx 0,82 81,80 42,20 3451,96 4914 CFR 1,00 81,80 42,20 3451,96 6003
Tabla 3 – Valores de coeficientes globales de fuerza, en componentes, resultante y total, para el Piso 2 y el Piso 22, con 30º de viento incidente.
En Tabla 3 se indican coeficientes globales de fuerza obtenidos en el modelo
de torre incluyendo el entorno urbano próximo, parcialmente, para tomas de presión al nivel del Piso 2 y el Piso 22; estas se expresan en componentes x e y, en su valor resultante y en sus valores globales, para la dirección de viento incidente de 30º donde se producen los máximos coeficientes de carga.
Coef.
30º
Altura
Ancho
Sección
KNm CMVp2 0,21 17,50 42,20 738,5 11442 CMVp22 1,02 14,00 42,20 590,8 44214 CMVx 0,71 81,80 42,20 3451,96 180259 CMVy 0,69 81,80 42,20 3451,96 174578 CMV 0,91 81,80 42,20 3451,96 230268 CMT 0,34 81,80 42,20 3451,96 86138
Tabla 4 – Valores de coeficientes globales de momento de volcamiento y torsor, en componentes, resultante y total, para el Piso 2 y el Piso 22, con 30º de viento incidente.
En Tabla 4 se indican coeficientes globales de momento de volcamiento, en
componentes y totales, y el momento Torsor global, obtenidos en el modelo de torre incluyendo el entorno urbano próximo, parcialmente, para tomas de presión al nivel
del Piso 2 y el Piso 22, para 30º de viento incidente, donde se producen los máximos coeficientes de carga.
Se observan, en Tabla 3, que los coeficientes de fuerza disminuyen relativamente en niveles más altos, Piso 22, debido a la aceleración del flujo sobre el edificio, tal comportamiento se podría afirmar por la diminución relativa de sus coeficientes de presión del nivel del Piso 22 respecto al nivel del Piso 2. En tanto, en Tabla 4, muestra que el momento de volcamiento, como es esperable, mayor en el Piso 22, se tiene momentos semejantes sobre sus componentes x e y. 6. CONCLUSIONES
El estudio de las cargas aerodinámicas en un edificio construido en Punta del Este, Uruguay, de aproximadamente de 80 m de altura, presentando características particulares en su aspecto aerodinámico, como en su sitio de emplazamiento, fue estudiado a través de una serie de ensayos experimentales en el Túnel de Viento “Jacek P. Gorecki” de la UNNE. Los ensayos fueron realizados utilizando simulación de viento natural realizada por el método de Counihan y con modelo rígido a escala reducida de 1/200, donde se reprodujeron los detalles de relevancia aerodinámica. Se obtuvieron los valores medios de los coeficientes de presión local, como así también los coeficientes de carga globales.
Las componentes de las cargas de viento, es posible establecer que la máxima componente sobre el eje x se produce para una dirección de viento incidente de 30º y para la máxima componente sobre el eje y se produce para una dirección de viento incidente a 180º.
Los resultados analizados en e presente trabajo, con la torre y su entorno reproducidos, indica claramente un aumento definido de valores para los casos de las presiones de succión (negativas), y una moderada carga de las presiones positivas. Ello sugiere, por la presencia de estructuras de similar tamaño y aspecto aerodinámico y su particular disposición, un estancamiento del escurrimiento aguas arriba del viento incidente a 0º, con aceleración de flujos en los laterales y la parte superior de la torre bajo análisis. Las cargas en la fachada a barlovento tiene coeficiente de presión de moderado magnitud, mientras los de sotavento resultan ampificados cambios en la configuración de los flujos. En nivel de fluctuaciones, observado en las mediciones, indica un alto grado de dispersión en algunos valores de presión local, sobre algunas componenetes.
Las componentes de las cargas de viento, es posible establecer que la máxima componente sobre el eje x se produce para una dirección de viento incidente de 30º y para la máxima componente sobre el eje y se produce para una dirección de viento incidente a 180º.
Los coeficientes de presión máximos, mínimos y rms indican valores mayores, principalmente presiones de succión, por efectos del entorno cercano. La información resulta importante para la evaluación de efectos localizados que actualmente se pueden calcular por métodos que incluyen valores rms o directamente valores máximos y mínimos. Si se utilizan aproximaciones cuasi- estáticas, es necesario definir coeficientes locales de presión asociados a diferentes tiempos de ráfaga que dependen de la estructura o componente a analizar y permiten cálculos más aproximados de las cargas locales.
AGRADECIMIENTOS
Los autores agradecen al personal del Laboratorio de Aerodinámica de la UNNE: Beatriz Iturri, Julián Ortiz y Amadeo Arrieta. Para el desarrollo del trabajo
experimental se contó con el apoyo de la Facultad de Ingeniería y la Secretaría de Ciencia y Técnica de la UNNE. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS [1] M. Jensen, “The model law for phenomena in natural wind”, Ingenioren
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[4] Blessmann, J. (2011). Aerodinâmica das Construções. Editora da UFRGS, Porto Alegre, RS, Brasil.
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[8] J. Blessmann, “O vento na engenharia estrutural”, Editora da Universidade, UFRGS, Porto Alegre, RS, Brasil, 1995.