016 - Universidad Nacional del Nordeste

UNIVERSIDAD NACIONAL DEL NORDESTE
Comunicaciones Científicas y Tecnológicas 2000
Acción del viento
sobre cubiertas aisladas
Natalini, Mario B. - Canavesio, Oscar F.
Laboratorio de Aerodinámica - Departamento de Estabilidad - Facultad de Ingeniería - UNNE.
Las Heras 727 - (3500) Resistencia - Chaco - Argentina.
Tel./Fax: +54 (03722) 425064 - E-mail: [email protected]
ANTECEDENTES
Esta comunicación se refiere a una de las etapas del proyecto comenzado el año anterior, y que fuera iniciado
con el trabajo “acción del viento sobre cubiertas planas a dos vertientes aisladas del suelo” [1].
Este año, se ha agregado el análisis de cubiertas curvas aisladas del suelo para establecer una comparación
con las anteriores, por cuanto el Reglamento CIRSOC 102 determina la posibilidad de calcular los
coeficientes de presión en la superficie curva a partir de la plana.
El Reglamento establece, en el art. 8.3.3. c) “las cubiertas en forma de bóveda simétrica con la concavidad
dirigida hacia el suelo, cuyo rebaje sea menor a ¼,…. se reemplaza en éste caso la bóveda por las dos
vertientes planas formadas por las semicuerdas” (fig. 1)
fig. 1: corresponde a fig. 30 pag. 84 del CIRSOC 102
En el caso de sólidos con aristas vivas, no es necesario obtener igualdad del número de Reynolds entre
modelo y prototipo, por cuanto la característica del flujo de aire en la vecindad del sólido es función de la
localización del punto donde se produce su desprendimiento que es precisamente en una arista. En superficies
curvas, no existe un punto definido y la separación es función del número de Reynolds, turbulencia y
rugosidad de la superficie del modelo.
fig. 2
En la estructura real, para velocidades mayores a 10 m/seg el número de Reynolds (Re) es mayor a 106 y el
flujo está en régimen ultracrítico.
Re =
v⋅d
υ
donde: v = velocidad del fluido
d = dimensión característica del objeto
υ = viscosidad cinemática del fluido
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En el modelo, dada sus dimensiones es dificil que el Reynolds alcance esos valores pero debe conseguirse
semejanza de flujo alrededor de la estructura, para ello debe modificarse la turbulencia o bien agregar
rugosidad a la superficie mediante arenado fino.
Existen muchas investigaciones sobre el tema para flujo actuando sobre un cilindro completo en flujo
bidimensional [2,3,4,5,6,7], pero no para bóvedas separadas del suelo. Blessmam [8] establece para bóvedas
apoyadas en el suelo o separadas del suelo con cerramiento lateral total: “Para que exista una razonable
similitud es necesario que modelo y prototipo esten en un régimen similar, en nuestro caso, más allá de la
región crítica”. ”La experiencia en el LAC UFRGS, ha mostrado que más allá de Re= 2x105 el flujo alrededor
del modelo es similar al flujo alrededor del prototipo”.
Por este motivo, considerando que el Re de nuestro modelo es 2,45x105 podemos decir que cumplimos las
condiciones. No obstante, estamos analizando para nuestro caso la variación del coeficiente de arrastre en
función del Re., los correspondientes resultados serán tema de próximas presentaciones.
El modelo elegido tiene las mismas dimensiones ue el utilizado en [1], con la sola condición de que la
cubierta es una porsión de cilindro cuya curva generatriz esta definida por las aristas del modelo plano. La
escala del modelo es de 1:75 con respecto al prototipo de Oxford [1], y fue escogida a razon de que se
consiguió muy buena aproximación con los resultados de campo. Otra razón por la que fue eligió éste modelo
es que permite comparar los valores de los coeficientes de presión externa de ambas estructuras.
fig. 3: dimensiones del modelo en cm.
MATERIALES Y METODOS
Los ensayos de determinación de cargas de viento se realizaron en el túnel de viento “Jacek P. Gorecki” de la
UNNE que tiene una cámara de ensayos de 2.4 m de ancho x 1.8 m de alto x 22.4 m de longitud, con una
velocidad de viento máxima en vacío de 25 m/s.
La técnica de simulación de la capa límite atmosférica implementada se encuentra comprendida dentro de los
métodos de rugosidad, barrera y dispositivo de mezcla, y permite obtener escalas de simulación convenientes
para su utilización en el área estructural.
La simulación utilizada corresponde a la categoría III conforme a la clasificación del reglamento CIRSOC
102, y está definida como: “Zonas onduladas o forestadas, zonas urbanas con numerosas obstrucciones de
espacios cerrados que tienen la altura de las casas domésticas con promedio no superior a 10 m.
El modelo fue construído en aluminio, y se implementaron 19 tomas de presión, según las dimensiones dadas
en la figura 1.
La rugosidad superficial se obtuvo adhiriendo arena uniforme de diámetro de grano 0.73mm con adhesivo
vinílico.
Para las mediciones de presión que permiten determinar los coeficientes locales se utilizaron transductores
electrónicos Micro Switch Honeywell 163 PC, tomas de presión conectadas neumáticamente mediante tubos
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capilares de PVC de 1.5 mm. de diámetro interno, una llave secuencial Scanivalve, un multímetro digital
Keithley 2000, una placa de adquisición de datos A/D, una interfaz de potencia con optoacopladores y un
Osciloscopio digital Tektronix TDS320.
En el ensayo se utilizó el sistema Control para la conmutación de tomas de presión, la adquisición de datos y
su procesamiento.
Figura 1: modelo luego de incorporarle rugosidad superficial.
DISCUSION DE RESULTADOS
En esta serie de ensayos se determinaron coeficientes de presión media externa y se completará el estudio en
el futuro, con coeficientes de presión media interna y total.
Analizaremos los valores de coeficientes de presión media externa hallados en el modelo de cubierta curva y
los campararemos con los obtenidos en [9] (esc. 1:75) para cubierta plana a dos vertientes.
El Reglamento CIRSOC 102 establece que si f/L ≤ ¼ = 0.25 se puede reemplazar la curva por la poligonal
inscripta.
En nuestro caso: f/L = 2.5/14.5 = 0.17 < 0.25
curvo
plano
curvo
plano
fig. : Coeficientes de presión exterior en canopy curvo y en canopy recto, para viento incidente oblicuo y normal a la cumbrera
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Observando los dos casos, con ángulos de incidencia 0º y 45º, vemos que sucede lo mismo. Los coeficientes
positivos a barlovento son más del doble en la superficie curva que en la plana y los coeficientes negativos
(succión) son menos de la mitad en valor absoluto en la superficie curva que en la plana.
Evidentemente la cumbrera de la cubierta a dos aguas plana es el sitio donde el flujo de aire se separa de la
superficie y por lo tanto a sotavento se producen bruscmente grandes succiones que van disminuyendo en
valor absoluto. En cambio en la superficie curva, las succiones aumentan suavemente desde 0 a valores que se
estabilizan y están muy alejados de los anteriores.
CONCLUSIONES
No corresponde reemplazar la superficie curva por la poligonal inscripta porque se trata de dos diferentes
regímenes de flujo. Ningún Reglamento conocido presenta valores para este tipo de cubiertas, razón por la
cual estamos desarrollando el presente proyecto como contribución a un mejor conocimiento de este tipo de
estructuras.
BIBLIOGRAFIA
[1] Natalini, B - Marighetti, J - Natalini, M. B.; “Modelado en tunel de viento de presiones medias en
estructuras planas aisladas”, Comuniciones Científicas y Tecnológicas - U.N.N.E. 1999 (773).
[2] Ribeiro, José L.; "Effects of surface roughness on the two-dimensional flow parst circular cylinders I:
mean forces and pressures”, Journal of Wind Eng. and Ind. Aerodynamics, 37 1991 (299-309).
[3] Ocawa, T.-Nakayama, M.-Murayama, S-Sasaki, Y;“Characteristics of wind pressures on basic structures with curved surfaces and their response in turbulent flow”, Journal of Wind Eng. 1991 (427-438)
[4] Luo, S.C.-Gan,T.L.-Chew,Y,T; “Uniform flow past one (or two in tandem) finite length circular
cylinders”, Journal of Wind Eng. 1996 (60-69)
[5] Shih, W.- Wang, C-Coles, D- Roshko; “Experiments on flow past rougle circular cylinders at large
Reynolds numbers”, Journal of Wind Eng. 1993 (3561-368)
[6] Vematsu, Y-Yamada, M. “Aerodynamic force on circular cylinder of finite height”, Journal of Wind
Eng. 1994 (249-265)
[7] Barre, C.-Barnaud, G. “High Reynolds simulation techniques and their application to shapes structures
model”, Journal of Wind Eng. 1995 (145-157)
[8] Blessman, J. “Wind load on isolated and adyacent industrial pavillons curved roof” Report of Wind
effects on Buildings and Structures 1998 (137-171)
[9] Marighetti, J.-Natalini, B.-Natalini, M. B. “Wind test of planar canopy roof model” Reporte de la XIX
Jornadas Sudamericanas de Ingenieria estructural- Montevideo 2000.
[10] Marighetti, J.-Natalini, B.-Natalini, M. B. “Problemas de las cargas de viento sobre cubiertas planas
bajas aisladas” Memorias de las XVI Jornadas de Ingeniería estructural Buenos Aires 1998 (470-477)