Perfil de velocidad del viento e intensidad de la turbulencia para la determinación de cargas de viento cuasiestáticas según el concepto de ráfaga

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

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Dependiendo de la rigidez, la masa y el amortiguamiento, las estructuras reaccionan de manera diferente a la acción del viento. Se hace una distinción básica entre los edificios que son propensos a vibrar y aquellos que no lo son.

Por lo general, las estructuras no se consideran susceptibles a vibraciones si las deformaciones bajo la acción del viento por resonancia de ráfagas no se incrementan en más de un 10 % [2]. En este caso, la acción del viento variable en el tiempo se puede describir como una carga equivalente estática.

Suponiendo que las turbulencias dentro del flujo de viento son muy grandes en relación con las dimensiones del edificio, se puede calcular una distribución de presión p que actúa estáticamente en la geometría del edificio con RWIND Simulation según el "método cuasi-estacionario" o el denominado método de las ráfagas. concepto [3].

Básicamente, se supone un campo de flujo estacionario alrededor del modelo de análisis para la fluctuación de la velocidad turbulenta durante la ráfaga [3]. La fluctuación de la presión en la superficie del modelo debido a la turbulencia del flujo de entrada se considera así como un estado estacionario durante un cierto período de tiempo t. Por lo tanto, las fluctuaciones siguen exactamente el curso de los coeficientes de presión promediados en el tiempo cp, mean en la superficie del modelo.

La presión resultante inducida por el viento Δp (t) en las superficies del modelo depende entonces puramente de la velocidad de entrada v (t).

Presión inducida por el viento en función del tiempo

Δp(t) = 12 · ρ · v2 (t) · cp,mean

ρ densidad del aire
v Velocidad de entrada
cp, media coeficiente de presión promediado en el tiempo
t Tiempo

Entonces, el valor del vector de velocidad de entrada v (t) es:

v (t) ² = (vx, media + vx, fluctuación (t)) ² + vy, fluctuación (t) ² + vz, fluctuación (t) ²

Si los términos al cuadrado solo hacen una pequeña contribución, el resultado es un valor eficaz del vector de velocidad de entrada v (t):

v (t) ² = vx, media ² + 2 ⋅ vx, media ⋅ vx, fluctuación (t)

El uso de la velocidad de entrada eficaz en la ecuación de la presión inducida por el viento da como resultado:

Δp (t) = 1/2 ⋅ ρ ⋅ vx, mean ² [1 + (2 ⋅ vx, fluctuación (t))/vx, mean ] ⋅ cp, mean

Esta transformación muestra que la fluctuación de la presión del viento Δp (t) sólo depende de la fluctuación de la velocidad del viento vx, fluctuación (t) en la dirección de entrada principal x.

Si reemplaza la fluctuación de velocidad variable en el tiempo vx, fluctuación (t) por la fluctuación de velocidad máxima que se produce vx, fluctuación, max , elimina la variabilidad temporal del sistema.

Y si luego compara el término vx, fluctuación, max/vx, media como un múltiplo g de la intensidad de la turbulencia Iv (z),

Intensidad de la turbulencia como función de la altitud

Iv(z) = δvvmean (z)

δv
desviación estándar de la velocidadmedia v media
vmedia (z) velocidad media en función de la altitud
Z altura sobre el suelo

puede describir el término entre corchetes como factor de ráfaga G (z). La inserción de los términos en la ecuación de la carga de viento nominal da como resultado:

Carga de viento nominal

W = 12 · ρ · vmean2 (z) · G(z) · cp,mean

ρ densidad del aire
vsignifica velocidad media de entrada
G (z) factor de ráfaga en función de la altitud
cp, media coeficiente de presión promediado en el tiempo

Donde

Factor de ráfaga

G(z) = 1 + 2 · g · Iv (z)

g factor para definir la duración de la ráfaga
Yov (z) intensidad de la turbulencia en función de la altitud
Z altura sobre el suelo

Por ejemplo, en EN 1991-1-4, el factor g se usa para describir la duración de la ráfaga 3.5.

RWIND Simulation calcula los valores medios de las presiones pmean en la superficie del modelo dependiendo de una velocidad de entrada vx (z) por medio de una solución estacionaria de las ecuaciones de RANS utilizando el algoritmo SIMPLEC. Dado que los valores medios de los coeficientes de presión cp, mean se basan en la relación entre los valores medios determinados de la presión pmean y la presión máxima de la velocidad del viento en la altura de la cubierta q (altura de la cubierta),

cp, mean = pmean/q (altura de la cubierta)

es posible usar la velocidad de entrada de la presión de velocidad máxima del viento convertida q (z) sobre la altura para determinar las cargas de viento nominales según el concepto de ráfaga [1].

v (z) = √ (2 ⋅ q (z)/ρ)

Por lo tanto, esta velocidad del viento incluye la velocidad media del viento vmedia y la componente de fluctuación máxima vfluctuación . En este caso, la intensidad de la turbulencia del flujo de entrada se puede establecer constantemente por encima de la altura en un valor muy pequeño de aproximadamente el 5 % [4].

Cuando se consideran los efectos de las fuerzas que actúan en todo el edificio o en grandes superficies, este método proporciona una muy buena aproximación a la carga de viento natural [3]. La razón es que los pequeños efectos de turbulencia enmascarados por el promedio actúan solo en áreas parciales y no tienen ningún efecto notable debido a la integración global de los valores de fuerza.

Además, el concepto reacciona muy bien incluso para áreas parciales pequeñas con entrada frontal, ya que aquí las fluctuaciones de la presión efectiva ya están muy bien registradas en el perfil de velocidad máxima del viento [3].

Por el contrario, el sistema da como resultado una convergencia más deficiente a la realidad para las superficies con separación de flujo (pared lateral y posterior). Es especialmente en estas zonas donde la turbulencia inducida por el edificio "atenuada" promediando utilizando el concepto de ráfaga tiene un efecto mayor que el efecto de la turbulencia del flujo de entrada contenido en el perfil de velocidad de entrada.

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

Velocidad máxima del viento Velocidad del viento velocidad básica del viento Velocidad media del viento intensidad de la turbulencia Presión del viento

Referencia

[1]   Eurocode 1: Actions on structures - Part 1-4: General actions - Wind actions; German version EN 1991-1-4:2005 + A1:2010 + AC:2010
[2]   Albert, A.: Schneider - Bautabellen für Ingenieure mit Berechnungshinweisen und Beispielen, 22. Auflage. Bochum: Bundesanzeiger, 2016
[3]   Kiefer, H: Windlasten an quaderförmigen Gebäuden in bebauten Gebieten, 2003
[4]   Werth, M.: Vergleichende Studie zu Windlastmodellen im Hochbau: Numerische Strömungsberechnung vs. Druckmessungen im Windkanal, 2019

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