Comodidad del viento en zonas peatonales y alrededor de edificios

Artículo técnico sobre el tema del análisis de estructuras usando de Dlubal Software

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Artículo técnico

Los edificios son estructuras rodeadas de viento. El flujo a su alrededor crea cargas específicas en las superficies, las cuales se utilizan para el diseño en el análisis estructural.

Además, el flujo alrededor del edificio da como resultado un comportamiento del viento diferente que en el caso de un flujo de viento sobre el terreno sin urbanizar. Dependiendo del viento y de las propiedades del edificio, este comportamiento del viento tiene una influencia en el microclima alrededor del edificio y las personas en los alrededores. En el peor de los casos, permanecer al lado del edificio se vuelve desagradable, con peligros a veces ocultos para los peatones y ciclistas.

Imagen 01 - Flujo de viento en zonas urbanas

Por lo tanto, en la tecnología de viento relacionada con la industria de la construcción, no solo hay un campo que se ocupe de la determinación de la carga de los flujos de viento alrededor de los edificios, sino también de la comodidad del viento para los peatones y ciclistas próximos a los edificios.

Posibles influencias del flujo por los edificios

Los edificios no sólo ofrecen resistencia al viento, sino que también influyen en el flujo alrededor de la forma del edificio [1]. El flujo en este entorno cercano se desarrolla de forma bastante diferente dependiendo de la dirección del viento, la forma del edificio y las propiedades del viento. Los efectos individuales típicos se muestran a continuación.

Imagen 02 - Formación de torbellinos

Imagen 03 - Formación de torbellino frontal

Imagen 04 - Canalización

Imagen 05 - Efecto Venturi

Imagen 06 - Efecto de protección contra el viento

Imagen 07 - Efecto de paso

Una suma de todos estos efectos influye en el microclima urbano [1]. El viento resultante transporta aire, tierra, nieve, olores y el calor a través del paisaje urbano, dependiendo del viento global, su aceleración local y su distribución temporal.

Comodidad del viento

Los flujos de viento acelerados localmente y las turbulencias resultantes de la interacción entre los edificios y el flujo de viento real muestran la situación del viento en el área urbana. En el proceso, la turbulencia y las altas velocidades del viento debido a los efectos de canalización y venturi entre y al lado de los edificios causan ahí incomodidad a las personas. Principalmente, el campo de flujos induce una sensación desagradable a la altura de la cabeza del peatón (de 1,5 a 2 metros sobre el suelo). En casos particularmente drásticos, la presencia de velocidades del viento más altas también crea un riesgo porque los peatones y ciclistas pueden ser empujados por el viento no planeado.

Con el fin de evitar los peligros de estos efectos del viento y hacer que los efectos sean razonables, se han desarrollado varios criterios a lo largo del tiempo. Los criterios más conocidos son los valores límite según Lawson, Davenport y la norma NEN 8100 [2]. La última norma especifica los criterios de seguridad así como también los criterios de confort requeridos.

La comodidad del viento en una ubicación específica se puede estimar con estos criterios utilizando los datos meteorológicos y las condiciones locales del viento. Los datos meteorológicos en el área de estudio muestran las velocidades del viento por dirección en su frecuencia. Estos conjuntos de datos a menudo se muestran en las llamadas rosas de los vientos.

Imagen 08 - Rosa de los vientos

Debido a los diversos efectos del flujo, el flujo de viento global genera un campo de flujo no constante en el distrito urbano o complejo de edificios considerado con efectos de aceleración a veces significativos a los lados y entre los edificios. La comodidad del viento peatonal se determina comparando las velocidades locales del viento con las frecuencias meteorológicas relacionadas del flujo de viento global subyacente [2]. La norma holandesa NEN 8100, por ejemplo, proporciona una clasificación para la determinación de la comodidad y la seguridad.

 Comodidad
Criterios
Media
velocidad del viento
[m/s]
Probabilidad
de ocurrencia
[%]
Actividad
 A5< 2,5Permanencia larga
 B5< 5Permanencia corta
 C5< 10Paseando
 D5< 20Caminando rápido
 E5≥ 20Inaceptable
 Seguridad
Criterios
Media
Velocidad del viento
[m/s]
Probabilidad
de ocurrencia
[%]
Peligro
 A15< 0,05Sin riesgo
 B15< 0,30Riesgo limitado
 C15≥ 0,30Peligroso

Los nuevos edificios cambian la configuración del viento

En el pasado, ha habido varios ejemplos en los que los nuevos edificios han cambiado drásticamente el microclima urbano y el campo del flujo de viento asociado. En el pasado, el edificio Flatiron de Nueva York y, más recientemente, el rascacielos 20 Fenchurch Street de Londres, conocido como The Walkie-Talkie o The Pint debido a su forma, han sido los ejemplos más destacados de un entorno incómodo. Estos y otros casos mostraron que, al construir un nuevo edificio en un paisaje urbano existente, se debe tratar no solo con el edificio en sí, sino también con el entorno. Sobre todo, los edificios altos con una altura de 82 pies o más pueden cambiar significativamente la comodidad del viento en el área circundante debido a las nuevas corrientes de viento verticales en la fachada. Las condiciones del viento de tales estructuras críticas sólo se pueden mejorar después hasta un grado muy limitado. Las medidas de mejora incluyen árboles óptimamente posicionados para la desaceleración y la desviación de las corrientes de viento desagradables.

Para evitar tales dificultades, es mejor saber previamente el cambio de las condiciones del viento circundante en la fase de diseño de un nuevo edificio o complejo de edificios. Con esta información, es posible reconocer las zonas de comodidad del viento desagradables incluso antes de la construcción y modificar la forma del edificio en consecuencia. Dado que estas optimizaciones de la forma generalmente se deben realizar iterativamente, se recomienda una simulación de flujos numérica. Este método digital puede determinar con precisión las opciones de la forma del edificio que se analizarán sin malgastar recursos y generan velocidades del viento locales, teniendo en cuenta la situación global del viento en el área urbana. Este método puede ser bastante económico en comparación con las pruebas de túneles de viento reales en un cuerpo de modelo urbano reducido debido a los pasos omitidos del modelo.

Análisis del flujo de viento con RWIND Simulation

RWIND Simulation le permite realizar una simulación numérica del flujo para estos tipos modelos urbanos. El programa puede importar el modelo urbano 1: 1, a veces accidentado y muy afiligranado, sin escalar el tamaño a través de las interfaces VTP (ParaView Poly Data) o STL (estereolitografía) en el túnel de viento numérico. La situación global del viento en el área urbana se debe definir en el túnel de viento por medio de un campo de velocidades y turbulencias del viento que sea variable con la altitud. Como alternativa, también es posible importar el modelo como un modelo de análisis estructural con sus propiedades de viento globales desde RFEM directamente al túnel de viento numérico de RWIND Simulation. RWIND Simulation luego malla el área de volumen libre y determina el campo de flujos local alrededor del modelo con su solucionador estacionario para flujos turbulentos incompresibles en relación con el algoritmo SIMPLE (método semi-implícito para ecuaciones vinculadas a la presión).

El ejemplo de referencia E "Complejos de edificios con una forma simple de edificio en una zona urbana real (Niigata)" publicado en la "Guía para las predicciones de CFD del entorno eólico urbano" [3] del Architectural Institute of Japan (AIJ) muestra de forma impresionante cómo las nuevas construcciones de los edificios más altos afectan el campo de flujos de viento local en el área peatonal.

Imagen 09 - Velocidades locales del viento antes de la construcción con RWIND Simulation

Imagen 10 - Velocidades locales del viento después de la construcción con RWIND Simulation

La velocidad del viento local aumenta aquí para el caso de carga de viento del oeste con una velocidad de viento global de 3,93 m/s a la altura de referencia de 15,9 m sobre el área urbana detrás del edificio de 1,3 m/s antes de la construcción a 4,43 m/s. s después de la construcción. Esto significa un aumento de aproximadamente 3,4 veces la velocidad del viento con un deterioro acompañado de la comodidad del viento para los peatones en la parte frontal del edificio.

Con RWIND Simulation, este conjunto de resultados muy significativo se ha determinado sin mucho esfuerzo en la entrada de los datos incluyendo un mallado en una computadora estándar. Con tales resultados, los planificadores urbanos, los desarrolladores de proyectos, los arquitectos y los ingenieros pueden deducir la comodidad del viento alrededor de un edificio que se va a planificar.

Autor

Dipl.-Ing. (BA) Andreas Niemeier, M.Eng.

Dipl.-Ing. (BA) Andreas Niemeier, M.Eng.

Product Engineering & Customer Support

El Sr. Niemeier es responsable del desarrollo de RFEM, RSTAB y los módulos adicionales para estructuras de membranas extensibles. Además, es responsable del aseguramiento de la calidad y la atención al cliente.

Palabras clave

Comodidad del viento Análisis de confort del viento Evaluación del confort del viento Torbellino Vertimiento de vórtices Rascacielos Planificación urbana Burnham Aerodinámica de edificios Velocidades de flujo Análisis de flujos de viento Zonas peatonales

Referencia

[1]   NEN 8100:2006, Wind Comfort and Wind Danger in the Built Environment
[2]   Architectural Institute of Japan: AIJ Benchmarks for Validation of CFD Simulations Applied to Pedestrian Wind Environment around Buildings. Tokio: AIJ, 2016
[3]   Ministerium für Verkehr und Infrastruktur Baden-Württemberg: Städtebauliche Klimafibel - Hinweise für die Bauleitplanung, Neuauflage. Stuttgart: Druckfrisch, 2012
[4]   Architectural Institute of Japan: Guidebook for CFD Predictionsof Urban Wind Environment. Tokio: AIJ, 2020

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  • Actualizado 19. abril 2021

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RWIND Simulation

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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