Cargas de viento en un edificio de gran altura

Artículo técnico

El siguiente estudio compara la presión del viento en un edificio alto obtenido por RWIND Simulation con los resultados publicados por Dagnew et al. en la 11ª conferencia americana sobre ingeniería eólica en junio de 2009. En este documento, el edificio del consejo asesor aeronáutico de la mancomunidad ("Commonwealth Advisory Aeronautical Council", CAARC) se utiliza como modelo y los resultados de los diferentes métodos numéricos se comparan con los datos experimentales obtenidos desde los túneles de viento.

El programa RWIND Simulation se ha diseñado principalmente para calcular resultados rápidamente incluso para modelos relativamente complejos y grandes. Se ha utilizado la configuración predeterminada para un cálculo rápido, que posteriormente tardó solo 5 minutos en un PC estándar. Los resultados obtenidos están relativamente de acuerdo con los publicados en el artículo anterior [1] y a continuación se analizan con más detalle.

Dominio computacional y malla

El edificio CAARC tiene una forma prismática rectangular con dimensiones de 150x100x600 pies (45,72x30,48x182,88 m) de altura. Las dimensiones del túnel de viento son 4950 pies (1508,76 m) en la dirección de la corriente, 3000 pies (914,4 m) en la dirección del ancho perpendicular y la altura total es de 1200 pies (365,76 m).

Figura 01 - Modelo y dominio computacional

La malla de elementos finitos se ha refinado localmente cerca del modelo del edificio con el número total de 540.180 celdas de la malla. Aunque RWIND Simulation permite cálculos en mallas considerablemente más finas, hasta 50 millones de celdas, se ha seleccionado una malla relativamente gruesa para un cálculo rápido.

Configuración de la simulación

Los parámetros de simulación y el perfil de velocidad del viento que entra se ha definido según Dagnew et al. [1] y se muestran en la figura 02.

Figura 02 - Parámetros de simulación y perfil de velocidad del viento

Las condiciones de contorno del modelo se describen en la tabla 1.

ParámetrosLado superior, izquierdo y derechoEntradaSalidaMuros y planta del edificio
VelocidadDeslizamientoPerfil de velocidadGradiente cero0 m/s
PresiónGradiente cero0 PaGradiente ceroGradiente cero
Intensidad de turbulencia-0,15%--

Se ha utilizado el modelo de turbulencia de k-épsilon, y la intensidad de la turbulencia de entrada se ha ajustado a 0,15%.

Figura 03 - Modelo de turbulencia

Cálculo

El cálculo se ha llevado a cabo con el solucionador de RWIND Simulation, que se relaciona con la familia de solucionadores OpenFOAM - SIMPLE. Es un solucionador del estado estacionario para un flujo turbulento incompresible. La simulación completa, incluyendo la generación de mallas y la preparación de resultados, se completó en 5 minutos en un PC con 8 núcleos (Intel i9-9900K). El criterio de convergencia de la presión residual se ha establecido en 0,001, que es el valor estándar para el cálculo más rápido, y se alcanzó después de 350 iteraciones. La presión residual mínima es de 0,0001 y se puede alcanzar después de 700 iteraciones mientras continúa el cálculo. Sin embargo, los resultados no se vieron afectados considerablemente.

Figura 04 - Presión residual

Datos de salida

Las figuras 5 a 7 muestran la distribución de la presión en la superficie del edificio y el campo de velocidad. Con fines de validación y comparación, el coeficiente de presión calculado Cp se compara con los datos obtenidos de [1] en las figuras 9 a 11. El coeficiente cp se calcula de la siguiente forma:

${\mathrm c}_{\mathrm p}\;=\;\frac{\mathrm p\;-\;{\mathrm p}_\infty}{\displaystyle\frac12\;\cdot\;\mathrm\rho\;\cdot\;\mathrm v_{\mathrm H}^2}$
Donde:
p es la presión estática en el punto en el que se evalúa el coeficiente de presión
p es la presión estática en la corriente o flujo libre (aquí p = 0 Pa)
ρ es la densidad del aire (aquí ρ = 1,2 kg/m³)
vH es la velocidad de la corriente o flujo libre a la altura del edificio (aquí vH = 12,7 m/s)

En el lado de barlovento los resultados de RWIND Simulation y los resultados experimentales según Dagnew et al. [1] son casi idénticos. En los muros laterales y de sotavento, se observan diferencias de 10% - 20% entre los datos medidos y calculados, que se puede explicar mediante el modelo de turbulencia (k-épsilon) utilizado y la malla computacional gruesa. La precisión del resultado se puede mejorar utilizando modelos de turbulencia más precisos (LES), que estarán disponibles en futuras versiones de RWIND Simulation.

Resultados RWIND Simulation:

Figura 05 - Distribución de presión en la superficie del edificio

Figura 06 - Campo de velocidad en la sección vertical

Figura 07 - Campo de velocidad en la sección horizontal en Z/H = 2/3

Comparación con los datos y resultados publicados en [1]:

Figura 08 - Trayectoria para la extracción

Figura 09 - Valores de los coeficientes de la presión media Cp sobre el perímetro en Z/H = 2/3. Comparación con los resultados de otros métodos numéricos publicados en [1]

Figura 10 - Trazado de contorno de la distribución del coeficiente de presión Cp sobre el lado de barlovento

Figura 11 - Trazado de contorno de la distribución del coeficiente de presión Cp sobre el lado de sotavento

Palabras clave

Lado de barlovento Lado de sotavento Corriente libre Flujo de viento K-épsilon LES Carga de viento Validación

Referencia

[1]   Dagnew, A. K.; Bitsuamalk, G. T.; Merrick, R.: Computational evaluation of wind pressures on tall buildings. 11th Americas Conference on Wind Engineering | International Association for Wind Engineering, 2009

Descargas

Enlaces

Contacte con nosotros

Contacte con Dlubal Software

¿Tiene preguntas o necesita asesoramiento?
Contacte con nosotros a través de nuestro servicio de asistencia gratuito por correo electrónico, chat o fórum, o encuentre varias soluciones sugeridas y consejos útiles en nuestra página de preguntas más frecuentes (FAQ).

+34 911 438 160

info@dlubal.com

Compatible Programs Program
RWIND Simulation 1.xx

Programa independiente

Programa independiente para simulaciones numéricas de flujos de viento alrededor de edificios u otros objetos. Las cargas de viento generadas que actúan sobre esos objetos se pueden importar a RFEM/RSTAB para un análisis estático y dinámico.

Precio de la primera licencia
2.690,00 USD