Cómo cumplir con los requisitos del Eurocódigo utilizando la aplicación de CFD en el cálculo de la carga de viento

Introducción

La ingeniería eólica es un campo multidisciplinar que se centra en comprender y analizar el comportamiento del viento y sus efectos en las estructuras, edificios y el medio ambiente. Desempeña un papel crucial en el diseño de infraestructuras seguras, eficientes y sostenibles al tiempo que aprovecha el poder de la energía eólica para diversas aplicaciones. La ingeniería eólica combina principios de la meteorología, la dinámica de fluidos, la ingeniería civil y la arquitectura para estudiar cómo interactúa el viento con las estructuras. El objetivo principal es garantizar la seguridad y estabilidad de los edificios y otras construcciones bajo condiciones de viento variables. Los ingenieros e investigadores utilizan modelos matemáticos y pruebas en túnel de viento para simular escenarios del mundo real y recopilar datos para desarrollar soluciones de diseño eficaces. En este artículo, profundizaremos en la importancia de la ingeniería eólica y su papel en las normas y cómo cumplirlas, especialmente en EN 1991-1-4 [1]. Aquí hay algunos ejemplos de aplicaciones de simulación de viento en una ciudad moderna con rascacielos (figura 01), campo de velocidad del viento en una torre (figura 02) e interacción viento-estructura utilizando RWIND y RFEM para un puente (figura 03).

Figura 1: Simulación de viento en una ciudad moderna utilizando RWIND

Figura 2: Campo de velocidades del viento para una torre

Figura 3: Wind-Structure Interaction for a Bridge Structure Using RWIND and RFEM

El método de cálculo de la carga de viento

La importancia de la interacción viento-estructura ha aumentado en los últimos años debido a un número cada vez mayor de estructuras de diferentes alturas y formas. Se utilizan enfoques experimentales y numéricos para determinar la interacción. Muchas estructuras se están evaluando en túneles de viento como parte de las investigaciones experimentales. En este enfoque, se pueden calcular los impactos causados por las cargas de viento. Las estructuras a gran escala, como edificios altos, puentes y estadios, se benefician enormemente de las pruebas de túnel de viento, pero son métodos muy costosos y lentos.

Las cargas de viento estructurales también se pueden determinar utilizando la simulación CFD, que es el enfoque más económico y rápido. Es importante tener en cuenta que se basa en ASCE7-22 y EN 1991-1-4, lo que implica que solo la simulación numérica CFD verificada y validada se puede utilizar como un método eficaz.

Principios importantes y ejemplos de validación

Aquí son algunos criterios importantes que los ingenieros eólicos deben considerar al usar la simulación CFD como técnicas computacionales para estimar el flujo de fluidos en movimiento. Existe una variedad de software que puede ayudar con los problemas de CFD, y RWIND es una herramienta muy fácil de usar y potente para los ingenieros estructurales. RWIND Simulation es particularmente útil para ingenieros y diseñadores que necesitan comprender cómo afecta el viento a edificios, puentes, torres y otras estructuras. Al crear un modelo en 3D del flujo de viento, este software puede ayudar a evaluar las cargas de viento, analizar la comodidad del viento y garantizar que las estructuras estén diseñadas para resistir las fuerzas del viento. Los impactos de la carga de viento estático en las estructuras se pueden estimar utilizando una de las diferentes normas y también es interesante hacer una comparación con la simulación CFD. El Ejemplos de validación de eurocódigo utilizando RWIND para introducir la configuración más compatible para la simulación de CFD.

Figura 4: Ejemplo del Eurocódigo para un cuboide rectangular de gran altura

Normativa

El Eurocódigo se usa con frecuencia para realizar cálculos de viento en países europeos. Para hacer esos cálculos, la carga de viento dinámica se simplifica a una carga estática equivalente conservadora considerando los coeficientes de seguridad. Una alternativa al cálculo de las cargas de viento es una prueba física en túnel de viento. EN 1991-1-4 proporciona instrucciones sobre cómo determinar las fuerzas naturales del viento que se deben tener en cuenta en el cálculo estructural de un edificio u otras estructuras para cada una de las regiones cargadas. Esto aborda la estructura completa, los componentes de la estructura o los elementos vinculados a la estructura, como elementos, unidades de revestimiento y sus fijaciones, barreras de seguridad y acústicas [1].

En el capítulo C31 de ASCE 7-22 [2] relacionado con el procedimiento del túnel de viento, hay puntos importantes sobre la simulación de CFD que menciona:

La norma ASCE 49 especifica los requisitos para las pruebas de túnel de viento apropiadas. Para calcular las cargas de viento utilizando ensayos de túnel de viento numéricos o reales, se necesita una norma de este tipo. Aunque el uso de simulaciones de dinámica de fluidos computacional (CFD) en aplicaciones de ingeniería eólica está en aumento, ASCE 49 no enumera claramente todos los pasos necesarios para la CFD. Cualquier uso de la CFD para estimar el sistema principal resistente a la fuerza del viento de cálculo (MWFRS), C&C u otras cargas de viento de estructuras' requiere una revisión por pares y un estudio de verificación y validación (V&V) mientras esperamos una norma similar que describa los procedimientos requeridos para obtener cargas de viento fiables y precisas utilizando herramientas de CFD [2]. Esto es necesario para gestionar la garantía y el control de calidad de este procedimiento, ya que'no hay una norma [3]. Muchas de las especificaciones descritas en ASCE 49 para las pruebas físicas en túnel de viento son válidas cuando se utiliza la CFD como un túnel de viento numérico. Por ejemplo, el modelo numérico también requiere un flujo de viento suficiente, una geometría precisa, la inclusión de estructuras adyacentes importantes y la consideración de la posibilidad de excitación modal y efectos aeroelásticos. La simulación de CFD, si se valida con un modelo físico de caso base, puede ayudar a resolver las sutilezas que el modelo físico no puede medir y/o permitir el análisis de sensibilidad para cambios paramétricos. Uno de los beneficios significativos de RWIND es su integración con otros productos de software de DLUBAL, como RFEM (software de método de elementos finitos) y RSTAB (software de análisis de estructuras). Esta integración permite una transferencia perfecta de las cargas de viento derivadas de RWIND al análisis y diseño estructural (figuras 3 y 5).

Figura 5: Interacción viento-estructura para una estructura ligera utilizando RFEM y RWIND

Las simulaciones numéricas del túnel de viento solo se pueden considerar como datos cualitativos en ausencia de dicha validación. Cuando se necesita información de cálculo para las siguientes tensiones inducidas por el viento, los experimentos en túnel de viento se utilizan con frecuencia como última opción.

• Tensiones que surgen de inestabilidades, como aleteo o galope
• Presiones del muro cortina resultantes de una geometría irregular
• Tensiones transversales y/o de torsión
• Cargas periódicas inducidas por desprendimiento de vórtices

Uso de la simulación CFD para el cálculo de la carga de viento en el Eurocódigo

El Eurocódigo proporciona directrices (específicamente el Eurocódigo 1, Parte 4: Acciones del viento) para determinar las cargas de viento en estructuras. Las simulaciones de CFD se pueden emplear para evaluar los patrones de flujo de viento alrededor de los edificios y calcular con precisión las cargas de viento que actúan en varias superficies de la estructura. Aquí se muestra' cómo se puede usar la simulación CFD para calcular la carga de viento en el Eurocódigo:

1. Comprender los requisitos del código de construcción: cada ciudad, estado o país puede tener diferentes códigos de construcción. Algunos pueden adherirse a las normas internacionales, mientras que otros pueden tener pautas locales más específicas. Debe comprender los requisitos específicos para la ubicación de su proyecto.
2. Definir la geometría: el primer paso es crear un modelo 3D detallado del edificio o estructura en el software CFD. Este modelo debería representar con precisión la forma, el tamaño y las características de la estructura, incluyendo cualquier terreno circundante o edificios vecinos que puedan influir en el flujo de viento. Las categorías del terreno en el Eurocódigo 1 se utilizan para definir las características del terreno, que a su vez afecta la velocidad del viento y la presión que actúa sobre la estructura. Estas categorías se utilizan para determinar la rugosidad del terreno y la longitud de la rugosidad del terreno, lo que luego afecta el perfil de la velocidad del viento y las acciones del viento en una estructura. Esta información es vital en el diseño estructural para garantizar que el edificio o estructura pueda soportar las cargas de viento esperadas para su ubicación y terreno circundante.
3. Definir condiciones de contorno : defina las condiciones de contorno para la simulación de CFD, incluyendo la velocidad del viento, la dirección y la intensidad de la turbulencia. Estas condiciones de contorno se basan típicamente en datos meteorológicos históricos o en criterios de diseño de viento específicos proporcionados en el Eurocódigo.
4. Generación de malla: cree una rejilla de malla alrededor de la geometría del edificio para discretizar el dominio de fluidos. La resolución de la malla debe ser lo suficientemente fina como para capturar las características de flujo relevantes y los efectos de la capa límite cerca de las superficies del edificio.
5. Resolviendo las ecuaciones: el software CFD resuelve numéricamente las ecuaciones de flujo de fluidos determinantes (ecuaciones de Navier-Stokes) para las condiciones de contorno definidas. El software calcula los campos de velocidad y presión alrededor del edificio.
6. Validación: compare sus resultados de CFD con pruebas de túnel de viento o datos empíricos para validar sus hallazgos.
7. Procesamiento posterior: una vez que se completa la simulación de CFD, se realiza un procesamiento posterior para analizar los resultados. Esto implica extraer datos sobre las presiones, fuerzas y velocidades del viento que actúan sobre las superficies del edificio.
8. Cálculo de la carga de viento: en base a la distribución de presión obtenida de la simulación CFD, las cargas de viento en diferentes superficies del edificio se calculan siguiendo las directrices del Eurocódigo. Los coeficientes de presión se utilizan para determinar las cargas de viento en muros, cubiertas y otros componentes.
9. Combinación de cargas: las cargas de viento calculadas a partir de simulaciones de CFD se combinan con otras cargas relevantes, como cargas permanentes, cargas vivas y cargas de nieve, según las reglas de combinación de cargas del Eurocódigo.
10. Análisis estructural: las cargas de viento, junto con otras cargas, se utilizan como datos de entrada para el análisis estructural del edificio para evaluar su estabilidad e integridad en varios escenarios de carga.
11. Optimización: modifique el diseño para mitigar cualquier área de alta presión u otros problemas potenciales identificados por el análisis de CFD.
12. Revisión por pares o verificación por terceros: Dependiendo de la complejidad del edificio y las regulaciones locales, es posible que necesite que un tercero revise sus diseños y resultados de CFD. Este es un paso adicional para verificar que su diseño cumpla con los requisitos del código de construcción.

Conclusión

En el contexto de los códigos de construcción y las cargas de viento, la CFD se puede usar para simular cómo el viento interactúa con un edificio, proporcionando una comprensión más detallada y precisa de las cargas de viento que las fórmulas simples. Es importante tener en cuenta que las simulaciones de CFD para los cálculos de carga de viento requieren experiencia tanto en el modelado de CFD como en el conocimiento de las directrices del Eurocódigo. Además, la precisión de la simulación depende de la calidad del modelo de construcción, la elección de las condiciones de contorno y la resolución de la malla. Sin embargo, es importante tener en cuenta que, si bien la CFD puede proporcionar información valiosa, es una herramienta que se debe usar junto con los requisitos y normas establecidos en los códigos de construcción, y no en lugar de ellos. También es necesario tener una sólida comprensión de la mecánica de fluidos y los métodos numéricos para interpretar correctamente los resultados de las simulaciones de CFD. Finalmente, los ejemplos de validaciones y los artículos de la base de conocimientos son fuentes útiles para encontrar la configuración numérica más compatible con las normas.