ENSAYO EN TUNEL DE VIENTO DE UNA EDIFICACION PEQUEÑA

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ENSAYO EN TUNEL DE VIENTO DE UNA EDIFICACION PEQUEÑA, Y SU COMPARACION CON EL METODO ANALITICO DEL NUEVO REGLAMENTO ARGENTINO CIRSOC 102: ACCION DEL VIENTO SOBRE LAS CONSTRUCCIONES

Carlos Walter y Jorge Lässig Facultad de Ingeniería - Universidad Nacional del Comahue Buenos Aires 1400 – 8300 Neuquén - ARGENTINA e-mail: [email protected]; [email protected] Resumen En el presente trabajo se comparan el método analítico Proyecto de Nuevo “Reglamento CIRSOC 102: Acción del Viento sobre las Construcciones” [1] y el ensayo de Túnel de Viento, a través de un edificio bajo, en este caso, un galpón ubicado en la ciudad de Cutral Co. Se fabrica una maqueta a escala del edificio y se la somete a un ensayo en el Túnel de Viento de capa límite atmosférica de la Universidad Nacional de La Plata. De esta forma, se registran los valores de coeficiente de presión Cp en las distintas tomas de presión de la maqueta. Se hacen los cálculos teóricos según el Reglamento, y se comparan los resultados con el Túnel de Viento. Introducción Se encuentra en discusión pública el Proyecto de Nuevo “Reglamento CIRSOC 102: Acción del Viento sobre las Construcciones” [1], por lo que se vio que seria interesante probar dicho proyecto a través de un ensayo de Túnel de Viento para un caso real en la zona norpatagónica, como en la ciudad de Cutral Co. Metodología Para el ensayo en el Túnel de Viento se requieren datos climáticos como la distribución de vientos, la velocidad media, el desvío estándar, la turbulencia, la rugosidad del terreno, etc. Los datos meteorológicos fueron tomados del Mapa Eólico de la Provincia de Neuquén [2], donde el viento puede ser caracterizado a través de una función de densidad de probabilidades de Weibull II: f(u) = (k/c).(u/c)k-1.exp[-(u/c)k] ;u>0 (1) Cuyos parámetros son: Velocidad Media Anual: u= 6,4m/s Desvío Estándar: σu = 3,7m/s Coeficiente de Forma: k = 1,8 Coeficiente de Escala: c = 7,24m/s Se calcula la Intensidad de Turbulencia: Iu = σu/u = 3,7m/s / 6,4m/s = 0,5781 (2) La Rugosidad para la localidad de Cutral Co estimada en el Mapa Eólico de la Provincia de Neuquén es de: Z0 = 0,03m

El ensayo se realiza en el Túnel de Viento, que se encuentra ubicado en el edificio de la Facultad de Ingeniería de la Universidad Nacional de La Plata. El instrumental utilizado es: • • • •

medidor de presiones Pressure Systems Inc. Model 98 RK, que tiene cinco módulos de 16 tomas cada uno, haciendo el total de 80 tomas que tiene la maqueta. software Net Scanner Version 1.08. computadora Sterling. anemómetro Flow Master.

La maqueta se confecciona de forma tal que la sección proyectada de ésta esté por debajo del 8% de la sección transversal de ensayo del Túnel de Viento, que es lo adecuado para la experimentación. Sección de ensayo =1.4 m2 Sección de maqueta = 0.11 m2 La sección proyectada de la maqueta representa, por lo tanto, un 7.9 %, estando de esta forma dentro de los márgenes permitidos. La maqueta consta de las siguientes dimensiones: Ancho: 0.6 m; Largo: 0.9m; Alto: 0.195 m Esto da un valor de factor de escala: α = Lp / Lm = 33,33 (3)

Figura 1: Dibujo esquemático del edificio pequeño tipo galpón, objeto del ensayo

Se le hacen 80 agujeros en los que se conectan mangueras, los que actúan como tomas estáticas de presión. Estas están ubicadas de forma regular, aumentando su densidad en los bordes. Las mangueras se conectan al medidor de presiones.

Inicialmente, se coloca la maqueta con su eje longitudinal paralelo al eje del Túnel de Viento, sea, en la posición 0º. El Túnel de Viento tiene en el piso una serie de generadores de turbulencia, representando a escala el viento a 10 m de altura (ver Figura 2). Se ubica también dentro de éste un anemómetro para medir la intensidad del viento que se aplica a la maqueta.

Figura 2: Vista interior del Túnel de Viento de la Universidad Nacional de La Plata

pared frontal

pared trasera

pared lateral derecha

pared lateral izquierda

cubierta

Figura 3: Vistas del pequeño edificio ensayado y la ubicación de las tomas estáticas

Figura 4: Zonas de presión según el Reglamento Nuevo

En las posiciones 0º, 34º, 45º, 56º, 90º (ver Figura 5) se somete a la maqueta a velocidades de viento de 7, 10, 15 y 17 m/s, siendo los Números de Reynolds respectivos 90397, 129139, 193708 y 219536.

Figura 5: Dibujos esquemáticos del galpón y la dirección del viento en los ensayos realizados

Resultados El equipo extrae datos de presión con una frecuencia de 4,5 Hz. De esta forma se obtienen de 4 á 5 mediciones por segundo para cada una de las 80 tomas de presión, durante tres minutos, en cada posición (0º, 34º, 45º, 56º, 90º) y para cada velocidad del viento (7 m/s, 10 m/s, 15 m/s, 17 m/s), haciendo un total de 816729 datos de presión. A fin de comparar los resultados con el proyecto de Nuevo Reglamento [1], se saca un valor promedio de presión para cada toma y se agrupan las tomas en áreas de presión, promediando los valores en cada área. De esta manera, se tiene (ver Tabla 1): ZONA 1 2 3 4 5 6 1E 2E 3E 4E 5E 6E

Nº TOMA ESTÁTICA 28,29,36,37,42,43,50,51,58,59,69,70,71 26,27,34,35,41,48,49,56,57,66,67,68 24,25,32,33,40,46,47,54,55,63,64,65 22,23,30,31,38,39,44,45,52,53,60,61,62 1,2,4,5,7,8 72,73,75,76,78,79 19,20,21 6,17,18 13,14,15 10,11,12 3,6,9 74,77,80

Tabla 1: Ubicación por zona de cada toma estática (según “Reglamento CIRSOC 102: Acción del Viento sobre las Construcciones”)

Los valores de presión obtenidos por el equipo se transfoman en el coeficiente de presión Cp, mediante la fórmula siguiente: Cp = ∆p/1/2.ρ.V2 (4) Donde, ∆p es la presión medida, ρ es la densidad del aire (1.2 kg/m3) y V es la velocidad de viento aplicada. Se observa que el valor de Cp es estable para todos los Nº de Reynolds y, correspondientemente, para todas las velocidades. Como ejemplo se muestra la toma estática Nº38 con la dirección de viento de 56º en la Figura 6. V IE N T O 5 6 º T o m a N º3 8

Cp

10

1

0 .1 0

50000

100000

150000 Re

200000

250000

Figura 6: Variación de Cp con el número de Re para la toma estática Nº38 con la dirección del viento a 56º

Es de destacar que Meechan (1992) realizó ensayos en túnel de viento con distintos tipos de techo, incluyendo uno similar al del presente trabajo. En la referencia [3] se muestra la distribución de Cp sobre la cubierta para la dirección de viento de 0º, pudiendo constatar que los resultados obtenidos por Meechan son similares a los aquí expuestos. Análisis Para todas las direcciones del viento (0º, 34º, 45º, 56, 90º) y con intensidad de 17 m/s, se comparan los valores de Cp obtenidos con el Túnel de Viento con los alcanzados mediante el proyecto de Nuevo Reglamento[1] (ver Figura 7), por número de zona, y se calcula el porcentaje de error del resultado analítico (Cpteorico) respecto al resultado logrado en el Túnel de Viento (Cptunel de viento), mediante la siguiente expresión. e [%] = [(Cptunel de viento – Cpteorico)/ Cpteorico].100 (5) VIENTO 0º Cp teorico vs Cp tunel de viento

VIENTO 34º Cp teorico vs Cp tunel de viento

1

1

0.5

0.5

0 2

3

4

5

6

1E

2E

3E

4E

5E

6E

Cp

Cp

0

1

1

-0.5

-0.5

-1

-1

-1.5

3

4

5

6

1E

-1.5

Cp teorico Cp tunel de viento

Zona Nº

2

Zona Nº

2E

3E

4E

5E

6E

Cp teorico Cp tunel de viento

VIENTO 56º Cp teorico vs Cp tunel de viento

VIENTO 45º Cp teorico vs Cp tunel de viento

1

1 0.5

0.5

1

2

3

4

1E

2E

3E

4E

-0.5

Cp

Cp

0

0 1

2

3

4

1E

2E

3E

4E

-0.5 -1

-1 -1.5

Zona Nº

-1.5

Cp teorico Cp tunel de viento

Cp teorico Cp tunel de viento

Zona Nº

VIENTO 90º Cp teorico vs Cp tunel de viento

1

Cp

0.5

Figura 7: Comparación del Cp entre el ensayo en el Túnel de Viento y el cálculo teórico, para V = 17 m/s, según la Nueva Norma por zonas

0 1

2

3

4

1E

2E

3E

4E

-0.5 -1 -1.5

Zona Nº

Cp teorico Cp tunel de viento

ZONA Nº 1 2 3 4 5 6 1E 2E 3E 4E 5E 6E

Teórico -0.45 -0.69 -0.4 -0.45 0.4 -0.29 0.65 -1.07 -0.57 -0.48 0.61 -0.43

Cp Túnel de Viento -0.14 -0.79 -0.403 -0.47 0.49 -0.33 0.61 -0.93 -1.23 -0.59 0.614 -0.16

Diferencia -69.33% 13.87% 0.87% 5.00% 21.76% 15.43% -6.32% -13.16% 115.02% 22.22% 0.63% -63.05%

Cp máximo Teórico -0.45 Túnel de Viento -0.79 Túnel de Viento -0.403 Túnel de Viento -0.47 Túnel de Viento 0.49 Túnel de Viento -0.33 Teórico 0.65 Teórico -1.07 Túnel de Viento -1.23 Túnel de Viento -0.59 Túnel de Viento 0.614 Teórico -0.16

Tabla 2: Comparación de los valores de Cp máximos, para cada método empleado

Conclusiones Con el Túnel de Viento se alcanzan valores más parecidos a lo que ocurre en la realidad. Se simulan las condiciones a las que está expuesto el edificio. Los valores de Cp obtenidos de esta manera son más reales. En el ensayo se hacen 80 tomas de presión, por lo que se obtienen 80 valores de Cp. El método analítico es más limitado en cuanto considera el edificio separado por áreas de presión con sus respectivos valores de Cp. Cada una de estas zonas contienen a varias tomas de presión. Entonces, para la comparación se debió promediar los valores de Cp de cada una de la tomas obtenidos por el Túnel de Viento, para cada zona, logrando un valor de Cp para cada una de las áreas. Se nota, según los gráficos desarrollados, que hay similitud con la distribución de presiones propuesta por el método analítico. Sin embargo, hay zonas que tienen valores mucho menores en cuanto al Cp y otras que los exceden. Se observa en la zona 3E, que corresponde al borde de la cubierta, que el método analítico da valores de Cp muy inferiores a los que se logran con el ensayo de Túnel de Viento, por lo que al usar éstos valores se subdimesiona la cubierta y por lo tanto puede haber rotura. En las zonas 1 y 1E, para la dirección de viento de 34º, se nota bastante discrepancia, ya que el método analítico asigna valores de Cp negativos, mientras que con el Túnel de Viento se alcanzan valores de Cp positivos. Se puede concluir que el método del ensayo en Túnel de Viento, es recomendable para el dimensionamiento de edificios. Los valores de presión obtenidos son más confiables, ya que este procedimiento simula lo que ocurre en la realidad. Sin embargo, es bastante más costoso y demanda más tiempo, por lo que debe evaluarse, según el proyecto a desarrollar, si es adecuado utilizar este procedimiento. Agradecimientos Se agradece: al Dr. Jorge Colman Lerner, CoDirector del Laboratorio de Capa Límite y Fluidodinámica Ambiental, Dpto. Aeronáutica de la Facultad de Ingeniería, Universidad Nacional de La Plata; al Dr. Ing. Sebastián Delnero quien puso toda su experiencia en el asesoramiento y guía para realizar estos ensayos; y al Ing. Mauricio Camocardi por la asistencia en las mediciones.

Referencias [1] Proyecto de Reglamento CIRSOC 102: Acción del Viento sobre las Construcciones, Noviembre 2001. [2] Palese, Warchomicka, Pedro, Mattio, Lässig, 2005, Mapa del Potencial Eólico del Departamento Confluencia de la Provincia de Neuquén. [3] Meechan, D., The Improved Performance of Hip Roofs in Extreme Winds – A Case Study, Queensland Government Administrative Services Department; Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, pp. 1717-1726, 1992, Elsevier.