1. Introducción
La dirección del viento juega un papel crucial en las simulaciones de dinámica de fluidos computacional (CFD) y el diseño estructural de edificios, puentes, vehículos y otros objetos sujetos a fuerzas aerodinámicas. Cuando los ingenieros y diseñadores trabajan en el desarrollo de una estructura, es esencial comprender la influencia de la dirección del viento para garantizar la estabilidad, la seguridad y el rendimiento (figura 01).
En las simulaciones de CFD, la dirección del viento determina cómo fluye el aire alrededor de una estructura, lo que afecta la distribución de la presión, la resistencia aerodinámica, el levantamiento y otras fuerzas aerodinámicas. Estas simulaciones permiten a los diseñadores predecir cómo los cambios en la dirección del viento pueden conducir a respuestas variables en la estructura, lo que influye en su diseño para resistir diferentes condiciones de viento. Por ejemplo, se puede optimizar la forma de un edificio para minimizar las cargas de viento en condiciones de viento comunes o se puede diseñar un puente para evitar la resonancia con los vientos predominantes.
Desde la perspectiva del diseño estructural, el efecto de la dirección del viento es un factor vital para determinar las trayectorias de carga y los requisitos de resistencia de los diferentes elementos estructurales. Las estructuras a menudo se diseñan para ser resistentes frente a las cargas de viento más fuertes que se esperan durante su vida útil. Esto implica comprender los patrones de viento predominantes, incluida la dirección, la velocidad y la frecuencia, para informar la orientación, la forma y el refuerzo estructural.
Además, la dirección del viento puede afectar la ventilación, la eficiencia energética e incluso los niveles de confort dentro de los edificios, influyendo en los aspectos arquitectónicos del diseño estructural. En algunos casos, también puede afectar la erosión del suelo alrededor de la estructura, afectando su cimentación y estabilidad. Aquí hay algunos efectos clave de la dirección del viento en la simulación de viento:
2. Simulaciones de CFD
- Análisis aerodinámico: las simulaciones de CFD permiten el análisis del flujo de aire alrededor de las estructuras. Cambiar las direcciones del viento afectará la distribución de la presión alrededor de un edificio o estructura.
- Modelado de turbulencia: las diferentes direcciones del viento pueden causar efectos de turbulencia variables, que se pueden estudiar y modelar utilizando la CFD.
- Región de la estela: la región de la estela, que es un área de flujo perturbado aguas abajo de la estructura, puede ser muy sensible a la dirección del viento. Esto tiene implicaciones para las estructuras situadas bajo la corriente o para el diseño de grupos de edificios donde se considera el flujo de aire entre las estructuras.
- Ventilación y calidad del aire: la dirección del viento influye en la ventilación natural y la dispersión de la contaminación alrededor de los edificios, y la CFD puede ayudar a analizar estos efectos.
- Validación y calibración: Para que las simulaciones de CFD sean eficaces, se deben validar y calibrar con mediciones del mundo real. Comprender las direcciones predominantes del viento es crucial para este proceso.
3. Diseño estructural
- Cálculo de carga: la dirección del viento afecta la carga de viento en las estructuras. Los ingenieros deben considerar los peores escenarios, que involucran varias direcciones del viento, para garantizar que las estructuras puedan soportar las cargas más altas posibles.
- Respuesta dinámica: las estructuras responden de manera diferente a las cargas de viento provenientes de varias direcciones, lo que afecta su respuesta dinámica. Comprender estas respuestas es crucial para diseñar estructuras estables.
- Producción de vórtices: dependiendo de la dirección del viento, puede ocurrir la producción de vórtices, causando oscilaciones en las estructuras, especialmente en las esbeltas como chimeneas y torres.
- Fenómenos aeroelásticos: en estructuras como puentes, la dirección del viento puede conducir a fenómenos aeroelásticos como el aleteo, que puede ser catastrófico si no se mitiga durante el diseño.
4. Interacción entre la dirección del viento, la CFD y el diseño estructural
- Enfoque interdisciplinario: Arquitectos, ingenieros estructurales y analistas de CFD a menudo colaboran, utilizando los resultados de la CFD para informar las decisiones del diseño estructural.
- Optimización del diseño: las simulaciones de CFD pueden ayudar a optimizar la forma y orientación de los edificios para minimizar las cargas de viento y mejorar el rendimiento aerodinámico.
- Diseño de fachadas: la información sobre la dirección del viento y la distribución de la presión se utiliza para diseñar fachadas que puedan soportar varias cargas de viento.
- Comodidad para los peatones: los estudios también aseguran que las condiciones del viento a nivel del terreno siguen siendo cómodas y seguras para los peatones.
5. Caso de estudio
Por ejemplo, se elige una forma de edificio simple (figura 02) para evaluar el efecto de la dirección del viento en él. Los valores de Fd,Fx,Fy,Fz están relacionados con las fuerzas de arrastre totales, la fuerza en dirección x, la fuerza en dirección y y la fuerza en dirección z, también Cp,max,pos y Cp,min,neg están relacionado con la presión positiva máxima del viento y la presión mínima del viento (figura 03 y tabla 01).
| Direcciones del viento(θ) | Fd (kN) | Fx (kN) | Fy (kN) | Fz (kN) | Cp,máx.,pos | Cp,mín.,neg |
| θ=0 | 199,39 | 195,12 | -14,43 | 38,40 | 0,97 | -1,29 |
| θ=15 | 184,28 | 180,34 | 10,88 | 36,30 | 0,97 | -2,07 |
| θ=30 | 236,40 | 230,56 | -33,69 | 39,91 | 0,99 | -4,39 |
| θ=45 | 240,63 | 237,00 | 0,912 | 41,63 | 1.00 | -3,84 |
| θ=60 | 236,71 | 230,62 | 35,72 | 39,62 | 0,99 | -4,48 |
| θ=75 | 178,40 | 172,40 | -28,80 | 35,74 | 0.98 | -1,99 |
6. Conclusión
La dirección del viento es un componente vital en el análisis y diseño de estructuras. A través de las simulaciones de CFD, los ingenieros pueden predecir y mitigar el impacto del viento, adaptando sus diseños para resistir la naturaleza inestable de los patrones de viento. A medida que superamos los límites de la arquitectura y la ingeniería, la armonización de la estructura con la dirección del viento a través de la simulación avanzada se convierte en un testimonio de nuestro dominio cada vez mayor sobre las fuerzas que dan forma a nuestro entorno construido. En el caso de estudio actual, demostramos que el ángulo de 45 es el escenario más crítico relacionado con las fuerzas de arrastre.
El impacto de la dirección del viento no se limita solo a las presiones externas; también afecta el comportamiento aerodinámico, incluido la producción de vórtices y las regiones de estela, que pueden inducir cargas oscilatorias. Estos efectos dinámicos se deben comprender a fondo para garantizar la integridad estructural y la capacidad de servicio de edificios, puentes y otras infraestructuras. Por lo tanto, al incorporar la variabilidad de la dirección del viento en las simulaciones de CFD, los ingenieros pueden predecir los posibles escenarios que puede encontrar una estructura durante su vida útil. Esto conduce a diseños más resistentes y eficientes que pueden soportar la naturaleza caprichosa del viento, garantizando la seguridad, el rendimiento y la longevidad.
