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.
[email protected] 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
(International edition), 2 (4), 1954. [2] Centro de Investigación
de los Reglamentos Nacionales de Seguridad para las
Obras Civiles, Reglamento CIRSOC 102: “Reglamento Argentino de
Acción del Viento sobre las Construcciones”, INTI, Bs. As.,
Noviembre de 2001.
[3] Cook, N. J. (1977). Determination of the Model Scale Factor in
Wind-Tunnel Simulations of the Adiabatic Atmospheric Boundary
Layer. J. Wind Eng. Ind. Aerodyn., 2, pp. 311-321.
[4] Blessmann, J. (2011). Aerodinâmica das Construções. Editora da
UFRGS, Porto Alegre, RS, Brasil.
[5] Cook, N. J. (1978). Wind-Tunnel Simulation of the Adiabatic
Atmospheric Boundary Layer by Roughness, Barrier and Mixing-Device
Methods. J. Wind Eng. Ind. Aerodyn. 3, pp. 157-176.
[6] A. R. Wittwer, S. V. Möller, “Characteristics of the low speed
wind tunnel of the UNNE”, J. Wind Eng. Ind. Aerodyn., 84 (3), pp.
307-320, 2000.
[7] M. De Bortoli, B. Natalini, M. J. Paluch, M. B. Natalini,
“Part-Depth Wind Tunnel Simulations of the Atmospheric Boundary
Layer”, J. Wind Eng. Ind. Aerodyn., 90, pp. 281-291, 2002.
[8] J. Blessmann, “O vento na engenharia estrutural”, Editora da
Universidade, UFRGS, Porto Alegre, RS, Brasil, 1995.