Descripción
Los estándares existentes, como EN 1991-1-4 [1], ASCE/SEI 7-16 y NBC 2015, proporcionan parámetros de carga de viento, incluido el coeficiente de presión del viento (Cp), para formas estructurales básicas. Sin embargo, un desafío clave radica en determinar estos parámetros de manera más eficiente y precisa, en lugar de depender de enfoques basados en fórmulas complejas y a menudo largas que se encuentran en los estándares.
Uno de los aspectos clave de la simulación CFD es seleccionar configuraciones precisas y compatibles, como el modelo de turbulencia, el perfil de velocidad del viento, la intensidad de la turbulencia, las condiciones de la capa límite y el orden de discretización. Sin embargo, estos detalles numéricos no se especifican explícitamente en EN 1991-1-4.
En el ejemplo de validación actual que involucra una estructura cilíndrica, proponemos un conjunto de configuraciones CFD recomendadas que son consistentes con el marco del Eurocódigo. Como se indica en EN 1991-1-4, la determinación de los valores de Cp se basa en fórmulas complejas que varían con el número de Reynolds, las cuales pueden simplificarse a través de enfoques CFD bien calibrados.
Solución Analítica
Las dimensiones del cilindro, como se muestra en la Figura 1, están diseñadas para lograr un número de Reynolds de Re= 2*106 basado en la Ecuación 7.15 de EN 1991-1-4. En esta ecuación, b representa el diámetro del cilindro, ν es la viscosidad cinemática del aire (ν=15*10-6 m2/s), y v(ze) denota la velocidad máxima del viento a la altura de referencia ze:
Las suposiciones y configuraciones CFD recomendadas, resumidas en la Tabla 1, demuestran un mejor acuerdo con el coeficiente de presión Cp y los valores del coeficiente de fuerza proporcionados en el ejemplo del Eurocódigo:
| Velocidad del Viento | V | 30 | m/s |
| Número de Reynolds (Ecuación 7.15, EN 1991-1-4) | Re | 2*106 | - |
| Altura | L | 1 | m |
| Diámetro | D | 1 | m |
| Posición de la Presión Mínima/Separación de Flujos (Tabla 7.12, EN 1991-1-4) | αmin/αA | 80/120 | Grado |
| Valor del Coeficiente de Presión Mínima (Tabla 7.12, EN 1991-1-4) | Cp0,min | -1.9 | - |
| Coeficiente de Presión Base (Tabla 7.12, EN 1991-1-4) | Cp0,h | -0.7 | - |
| Relación de Solidez (Ecuación 7.28, EN 1991-1-4) | φ | 1 | - |
| Esbeltez Efectiva (Tabla 7.16, EN 1991-1-4) | λ | 1 | - |
| Factor de Efecto de Extremo (Figura 7.36 - Ecuación 7.17, EN 1991-1-4) | ψλ - ψλa | 0.6-(0.6-1) | - |
| Coeficiente de Fuerza (Figura 7.28, EN 1991-1-4) | Cf,0 | 0.55 | - |
| Densidad del Aire | ρ | 1.25 | kg/m3 |
| Modelo de Turbulencia | RANS k-ω SST estacionario | - | - |
| Viscosidad Cinemática (Ecuación 7.15, EN 1991-1-4) | ν | 1.5*10-5 | m2/s |
| Orden del Esquema | Segundo | - | - |
| Valor Objetivo de Residual | 10-5 | - | - |
| Tipo de Residual | Presión | - | - |
| Número Mínimo de Iteraciones | 800 | - | - |
| Capa Límite | NL | 10 | - |
| Tipo de Función de Pared | Mejorada / Combinada | - | - |
| Intensidad de la Turbulencia (Mejor Ajuste) | I | 7.5%-15% | - |
Resultados
Finalmente, el contorno de Cp para una intensidad de turbulencia del 7.5% se muestra en la Figura 2, y el diagrama correspondiente para varias intensidades de turbulencia se presenta en la Figura 3. Entre los casos probados, una intensidad de turbulencia de I=7.5% muestra el mejor acuerdo en la predicción del coeficiente de presión promedio del viento.
Sin embargo, al considerar otro parámetro clave, el coeficiente de fuerza Cf,0 (como se indica en la Tabla 2 y se hace referencia en la Figura 7.28 de EN 1991-1-4), una intensidad de turbulencia del 15% arroja resultados que son más consistentes con el ejemplo del Eurocódigo.
| Intensidad de Turbulencia (%) | Fd (N) | ρ (kg/m3) | u (m/s) | A (m2) | Cf,0 |
| 1.00 | 253 | 1.25 | 30 | 1 | 0.45 |
| 5.00 | 226 | 1.25 | 30 | 1 | 0.40 |
| 7.50 | 253 | 1.25 | 30 | 1 | 0.46 |
| 10.00 | 257 | 1.25 | 30 | 1 | 0.46 |
| 15.00 | 303 | 1.25 | 30 | 1 | 0.54 |
| 20.00 | 328 | 1.25 | 30 | 1 | 0.58 |
| 25.00 | 361 | 1.25 | 30 | 1 | 0.64 |
| Eurocódigo | - | - | - | - | 0.55 |
Además, el modelo de cilindro con configuraciones CFD recomendadas está disponible para descargar aquí:
