Modelado en Túnel de Vientode Presiones Medias en Estructuras Planas Aisladas

Natalini, Bruno - Marighetti, Jorge O. - Natalini, Mario B.

Facultad de Ingeniería - Universidad Nacional del NordesteAv. Las Heras 727 - (3500) Resistencia - Chaco - ArgentinaE-mail: tunel@ing.unne.edu.ar

INTRODUCCIÓN

Cubiertas planas aisladas son cubiertas sobre soportes de reducidas dimensiones, que no tienen paredespermanentes y por ello no constituyen un obstáculo significativo al escurrimiento del aire. La acción delviento se ejerce directamente sobre las caras superior e inferior de la cubierta. Blessmann [1] señaló ladisparidad de valores de carga de diseño consideradas por distintas normas, cuando se refieren a este tipo deestructuras. Asimismo Cook [2] menciona cincuenta conflictos entre valores usados en códigos de 23 países.Hasta principio de los ’80, en que comenzaron los experimentos de Oxford, no fueron reportadasinvestigaciones exhaustivas sobre este tipo de estructuras. Entre 1980 y 1983 el Oxford Wind EngineeringResearch Group desarrolló el que quizás sea el mas completo estudio en túnel de viento hecho hasta elmomento [3][4][5][6]. En estas investigaciones se midieron presiones medias y presiones pico en puntos; ypresiones medias y pico sobre paneles, usando la técnica del promediado en área. Se estudiaron cubiertas deuna y dos aguas de distintas dimensiones, con diferentes configuraciones de bloqueo y vacías. Resultados deestos experimentos fueron incorporados a los reglamentos Británico y Australiano entre otros.Posteriormente, en el National Institute of Agricultural Engineering (NIAE) se realizaron mediciones depresiones medias a escala natural sobre dos típicos tinglados de dos aguas, uno ubicado en Drayton y otro enSilsoe (Reino Unido), con diferentes configuraciones de bloqueo [7].Otro grupo de experimentos fue llevado a cabo en Queensland [8][9] para estudiar rasgos no estudiados enOxford, entre ellos los mecanismos de flujo que gobiernan el comportamiento de las presiones.El reglamento argentino CIRSOC 102[10] hace un tratamiento del tema semejante al del reglamento francésNV65[11], el cual es anterior a los experimentos de Oxford. A la luz de las investigaciones de Oxford, NIAEy Queensland, se consideró necesario actualizar el reglamento CIRSOC 102 en lo concerniente a cargas deviento sobre estructuras planas aisladas a partir de los antecedentes citados[12]. Complementariamente sedecidió estudiar en túnel de viento algunas combinaciones geométricas no comprendidas en estos tests,limitándose este estudio a cargas medias debido a que el reglamento argentino utiliza un modelo devaloración cuasi-estatico.En este trabajo se pretende encontrar las mejores condiciones de modelado para este tipo de estructuras, a finde obtener un buen acuerdo entre la distribución de coeficientes de presión media entre modelo y prototipo.Se presentan resultados de la determinación en túnel de viento de coeficientes de presión media interior yexterior en dos modelos a diferentes escalas del tinglado de Silsoe, sometidos a dos simulaciones de viento,una correspondiente a terreno suburbano y otra a campo abierto, que se utilizaron para validar los estudioscomplementarios que se están realizando para actualizar el reglamento argentino.

MATERIALES Y MÉTODOS

Los ensayos de determinación de cargas de viento se realizaron en el túnel de viento “Jacek P. Gorecki” de laUNNE 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 unavelocidad de viento máxima en vacío de 25 m/s [13].Para simular la capa límite atmosférica se utilizó rugosidad en el piso y agujas del tipo de Irwin truncadas enla parte superior. Se usaron dos simulaciones de espesor parcial de capa límite neutralmente estable, de escala1:150, una correspondiente a terreno de campo abierto y otra a terreno suburbano.Para las mediciones de presión que permiten determinar los coeficientes de presion local se utilizarontransductores electrónicos Micro Switch Honeywell 163 PC, tomas de presión conectadas neumáticamente

mediante tubos capilares de PVC de 1.5 mm de diámetro interno, una llave secuencial Scanivalve, unmultímetro digital Keithley 2000, y un Osciloscopio digital Tektronix TDS320.Se utilizaron dos réplicas a escalas 1:150 y 1:100 del prototipo construido en Silsoe, cuyas dimensionesaparecen en Fig. 1.

Fig. 1: Esquema del tinglado de Silsoe. Las dimensiones están en metros

Se colocaron ocho tomas de presión sobre la mitad de un agua, con una disposición similar a la usada en elprototipo. Las presiones interiores y las exteriores se midieron por separado para evitar la distorsión de laescala en el espesor de la cubierta; y para evitar la distorsión de la escala en las columnas se pasaron todas lasmangueras por la columna mas alejada de las tomas de presión.Se estudiaron las distribuciones de presiones para viento incidiendo perpendicularmente a la cumbrera, y paraviento incidiendo a 45°. La presión dinámica de referencia se midió a la altura del alero, simultáneamente conlas presiones en las tomas. Las presiones medias se determinaron con un tiempo de integración de 50segundos.El procesamiento de datos se hizo en un computador personal, mediante un programa de planilla de cálculo yun programa para trazado de curvas de nivel.

DISCUSIÓN DE RESULTADOS

En las Fig. 2 a 5 se presentan las curvas de igual coeficiente de presión.

Direcciónde viento

1:150Suburbano

1:150Campo abierto

1:100Suburbano

1:100Campo abierto

Escala natural

Fig. 2 : Distribución de coeficientes de presión interior en modelos y prototipo para viento transversal a lacumbrera

Direcciónde viento

1:150Suburbano

1:150Campo abierto

1:100Suburbano

1:100Campo abierto

Escala natural

Fig. 3: Distribución de coeficientes de presión interior en modelos y prototipo para viento oblicuo

Direcciónde viento

1:150Suburbano

1:150Campo abierto

1:100Suburbano

1:100Campo abierto

Escala natural

Fig. 4: Distribución de coeficientes de presión exterior en modelos y prototipo para viento transversal a lacumbrera

Direcciónde viento

1:150Suburbano

1:150Campo abierto

1:100Suburbano

1:100Campo abierto

Escala natural

Fig. 5: Distribución de coeficientes de presión exterior en modelos y prototipo para viento oblicuo

Los experimentos en escala 1:100 mostraron resultados muy similares con ambas simulaciones. Elcomportamiento de las presiones fue muy similar al del prototipo, excepto en el caso de presiones exteriores

con viento transversal a la cumbrera, donde se puede apreciar en el ala a sotavento la presencia de diferentesmecanismos de flujo en modelos y prototipo. Los experimentos en escala 1:150 mostraron un malcomportamiento aunque con una mejora en el caso de la simulación de campo abierto respecto de lasuburbana.El efecto de escala, señalado por Gumley et al. como un factor de importancia en el modelado en este tipo deestructuras parece ser el responsable de las diferencias entre el buen comportamiento de los experimentos1:100 respecto de los 1:150. A su vez las diferencias entre ambos experimentos en escala 1:150 podríandeberse al mayor número de Reynolds presente en la simulación de campo abierto. En cambio llama laatención la semejanza de los resultados entre los experimentos 1:100, pese a la diferencia de números deReynolds y de intensidades de turbulencia entre ambos.

CONCLUSIONES

En el tunel de viento de la UNNE la escala 1:100 con simulación suburbana es adecuada para el modelado depresiones medias sobre estructuras planas aisladas con viento oblicuo, siempre que se estudien estructuras demayor tamaño que el tinglado de Silsoe. Para viento transversal a la cumbrera no se encontraron lascondiciones adecuadas para estudiar presiones exteriores.La distorsión de la escala de 1:150 a 1:100 es aceptable dada la clara mejora que produce la corrección deefectos de escala en el modelado.

AGRADECIMIENTOLos autores agradecen al Técnico Laboratorista J. Iturri, reponsable de la construcción de los modelos, y lacolaboración de S. Selinger.

BIBLIOGRAFÍA[1] J. Blessmann, “Tópicos de normas de vento”, Ed. da Universidade/UFRGS, Porto Alegre, (1991).[2] N.J. Cook, “The designer's guide to wind loading of building structures, Part 2: static structures”,

Building Research Establishment report, London (1990).[3] S. J. Gumley, C. J. Wood, “Mean and extreme pressure study on model dutch barns”, Uni. of Oxford

Dept. of Eng. Sc. OUEL report No. 1333/80 (1980).[4] S. J. Gumley, “Panel loading mean pressure study for canopy roofs” , Uni. of Oxford Dept. of Eng. Sc.

OUEL report No. 1380/81 (1981).[5] S. J. Gumley, “Design extreme pressures - A parametric study for canopy roofs”, Uni. of Oxford Dpt. of

Eng. Sc. OUEL report No. 1394/82 (1982).[6] R. E. Belcher, C. J. Wood, “Further design extreme pressures on canopy roofs” , Uni. of Oxford Dpt. of

Eng. Sc. OUEL report No. 1481/83 (1983).[7] A. P. Robertson, R. P. Hoxey, P. Moran, “ A full scale study of wind loads on agricultural ridged canopy

roof structures and proposal for design”, J. Wind Eng. Ind. Aerodyn. , 21 (1985) 167-205.[8] C. W. Letchford, J. D. Ginger, “Wind loads on planar canopy roof-part 1:Mean pressure distributions”,

J. Wind Eng. Ind. Aerodyn. , 45 (1992) 25-45.[9] J. D. Ginger, C. W. Letchford, “Peak wind loads under delta wing vortices on canopy roofs”, J. Wind

Eng. Ind. Aerodyn. , 41-44 (1992) 1739-1750.[10] Centro de Investigación de los Reglamentos Nacionales de Seguridad para las Obras Civiles,

Reglamento CIRSOC 102: Acción del Viento sobre las Construcciones, Instituto Nacional deTecnología Industrial, Buenos Aires, (1983).

[11] “Règles déffinisant les effets de la neige et du vent sur les constructions: Regles N. V. 65”, 1980.[12] J. O. Marighetti, B. Natalini, M. B. Natalini “El problema de las cargas de viento sobre cubiertas planas,

bajas y aisladas”, Memorias de las XVI Jornadas Argentinas de Ingenieria Estructural, 22-25 Septiembre1998, Bs. As., pp. 470-477.

[13] A. R. Wittwer, S. V. Möller “Characteristics of the low speed wind tunnel of the UNNE”, Transactionof the Jubileum Conference on Wind Effects on Buildings and Structures, Gramado RS, Brazil, May 25-29, 1998, Part II, pp. 14-21