Simulación de la presión del viento sobre los edificios – Eurocódigo 1
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Estudia el impacto del viento en la estructura de tus edificios
EOLIOS realiza estudios CFD para evaluar las cargas aerodinámicas de los edificios.
- Cálculo de los coeficientes de presión
- Estudio de impacto estructural
- Cálculo de las cargas del muro cortina
- Estudio de escenarios críticos de fallo
- Eurocódigos
- Resistencia al viento del mobiliario urbano
- Edificios altos
- Estudio del ruido del viento
- Estudio de la presión máxima de entrada de los sistemas de tratamiento del aire
Vientos fuertes: una acción estructural compleja y peligrosa
La acción del viento sobre los edificios es intrínsecamente tridimensional y muy dependiente del contexto. Los vientos fuertes generan cargas aerodinámicas que pueden afectar no sólo a la estructura portante, sino también a la envolvente del edificio, los equipos técnicos, los sistemas de fijación y los accesorios exteriores.
Además de las fuerzas globales, los efectos locales son el principal factor de riesgo. La combinación de la altura, la geometría (ángulos agudos, retranqueos, cubiertas complejas), la porosidad de las fachadas y el entorno circundante (presencia de obstáculos, otros edificios, relieve, etc.) genera fenómenos aerodinámicos avanzados: sobrepresiones y depresiones intensas, gradientes de presión elevados, aceleraciones locales del viento, efectos Venturi entre volúmenes construidos, vórtices en las esquinas y zonas de recirculación inestables.
Estos fenómenos pueden provocar tensiones extremas en zonas muy localizadas, que a menudo están mal representadas por los métodos de las normas globales. En entornos urbanos densos, las interacciones entre edificios amplifican estos efectos, lo que hace que la evaluación del viento sea especialmente sensible a las hipótesis de cálculo.
Comprender mal estos mecanismos puede llevar a :
- subdimensionamiento local de elementos de fachada o cubierta,
- equipo técnico arrancado,
- riesgos para los usuarios en zonas peatonales expuestas,
- deterioro prematuro de las estructuras y elevados costes de reparación.
Controlar los efectos del viento es, por tanto, una cuestión de seguridad, sostenibilidad y control económico del proyecto.
CFD: una herramienta de ingeniería avanzada para la gestión del riesgo eólico
La simulación numérica de flujos (CFD) proporciona un enfoque físico realista de la acción del viento, superando los límites de los métodos estándar simplificados. Proporciona una representación tridimensional, local y continua de los flujos de aire alrededor de los edificios, integrando la geometría real del proyecto y su entorno inmediato.
La CFD no sólo permite cuantificar las fuerzas, sino sobre todo comprender los mecanismos físicos que subyacen a los esfuerzos. Esta comprensión es crucial para orientar las elecciones de diseño, ajustar las formas arquitectónicas, colocar los equipos y definir las soluciones constructivas adecuadas.
Un análisis local y direccional de las tensiones
A diferencia de los enfoques basados en los coeficientes medios del Eurocódigo, el CFD permite :
- mapea con precisión las presiones y depresiones en todas las paredes,
- identificar las zonas de picos de presión relacionados con los efectos de las esquinas y los bordes,
- analizar las aceleraciones locales del viento y las zonas de cizalladura,
- caracterizar las interacciones aerodinámicas entre edificios vecinos.
Este enfoque local es especialmente pertinente para los edificios altos, las formas arquitectónicas no convencionales, los proyectos urbanos densos y los lugares sometidos a fuertes vientos dominantes.
Apoyo a la toma de decisiones integrado en el proceso de diseño
Cuando el CFD se integra en la fase previa, se convierte en una auténtica herramienta de diseño. Puede utilizarse para comparar distintas variantes (disposición, masa, orientación, pantallas, cortavientos), paraoptimizar el dimensionamiento de los elementos expuestos y para justificar técnicamente las opciones elegidas ante las autoridades de inspección y las aseguradoras.
Los comentarios muestran que la integración temprana del CFD reduce significativamente el riesgo de reelaboración posterior y los costes adicionales asociados.
Un marco normativo controlado: integración rigurosa del Eurocódigo 1
Los estudios realizados por EOLIOS se inscriben estrictamente en el marco normativodel Eurocódigo 1 – Acciones del viento (NF EN 1991-1-4) y su Anexo Nacional. Este documento es una herramienta esencial para el diseño de edificios resistentes al viento.
La CFD no se utiliza aquí como alternativa a las normas, sino como herramienta complementaria, coherente y justificable.
Características del terreno
La tabla siguiente, tomada del anexo nacional del Eurocódigo, da los valores de z0(altura de rugosidad aparente) según la naturaleza del lugar. En el contexto de los estudios urbanos, la rugosidad impuesta para los cálculos corresponde a una rugosidad urbana de tipo IV.
Esta rugosidad condiciona directamente el perfil de velocidad del viento, elemento fundamental para definir las condiciones de entrada del modelo CFD.
Definición de la velocidad de referencia
La velocidad base vb,0 corresponde a un suceso de viento extremo pero poco frecuente (periodo de retorno medio de unos 50). Esta velocidad se define sobre un periodo de 10 minutos a 10 m sobre el suelo en una zona de campo abierto. Por tanto, depende de la zona geográfica y, por tanto, está definida por la zonificación del Eurocódigo.
La velocidad base vb,0 puede corregirse según el contexto específico del proyecto utilizando 2 coeficientes representativos para constituir la velocidad de referencia vb:
- El coeficiente de direccióncdir: tiene en cuenta que los vientos más fuertes no siempre soplan en la dirección más desfavorable. En otras palabras, permite reducir la velocidad de referencia cuando las direcciones críticas del viento son poco probables.
- Coeficiente estacional ctemporada: Tiene en cuenta el hecho de que los vientos extremos no se producen regularmente a lo largo del año. Para las estructuras permanentes, el coeficiente conserva un valor de 1 (máximo). En cambio, para las estructuras temporales, como los andamios, el coeficiente puede tomar un valor inferior.
Por lo tanto, la velocidad de referencia puede corregirse del siguiente modo:
Vb =cdir x cseason x vb,0
Coeficiente orográfico c0 (z)
El coeficiente orográfico tiene en cuenta lainfluencia del relieve del terreno (colinas, crestas, escarpes) en la velocidad del viento. Los efectos de la orografía pueden despreciarse si la pendiente media del terreno respecto al viento es inferior a 3º, en cuyo casoco(z)=1.
Coeficiente de rugosidad cr (z)
El coeficiente de rugosidadCr(z) es un coeficiente que tiene en cuenta la rugosidad aparente del terreno (edificios, árboles, ciudades) para calcular la variación media de la velocidad en función de la altitud. Se obtiene a partir de una ecuación con los parámetros :
- z0 la longitud de rugosidad de la categoría de suelo utilizada
- zmin el límite inferior de validez del aspecto logarítmico del coeficiente de rugosidad
- zmax la altura máxima de la zona de estudio
- kr el factor terreno
El coeficiente de rugosidad se rige entonces por la siguiente ecuación :
Cr(z) = kr*ln(z/z0) para zmin ≤ z ≤ zmax
Cr(z) =Cr(zmin) para z ≤ zmin
Velocidad media
La velocidad media Vm(z) tiene en cuenta la velocidad de referencia Vb y los parámetros de rugosidad aparente asociados a un terreno de categoría IV. Se calcula de acuerdo con el Eurocódigo mediante la fórmula siguiente:
Vm (z) = Vb *Cr(z) *Co(z)
Al iterar esta ecuación, es posible obtener un perfil de velocidad logarítmico.
Vientos racheados
Una vez determinado el perfil de velocidad media del viento, es posible calcular el perfil de velocidad máxima de ráfaga del proyecto. Esto tiene en cuenta laintensidad turbulenta y la variabilidad temporal del viento. Este perfil se obtiene mediante la siguiente fórmula
Vr(z) = sqrt[1+7*kl/ln(z/z0)]*Vm(z)
Donde z es la altura, z0 es la longitud de rugosidad para la categoría de terreno considerada, kl es el coeficiente de turbulencia para la categoría de terreno considerada y Vm(z) es la velocidad media determinada anteriormente.
A continuación, se produce un segundo perfil de velocidad. Éste se utilizará comoentrada de dominio para futuras simulaciones.
Modelización CFD: un enfoque robusto y controlado
Reconstrucción del entorno construido
La zona de estudio se modela sobre un perímetro suficiente para garantizar el desarrollo completo de los flujos. Se incluyen los edificios circundantes para captar los efectos del enmascaramiento, la canalización y la interacción aerodinámica.
Las simplificaciones geométricas se realizan de forma controlada para preservar los mecanismos físicos, garantizando al mismo tiempo la estabilidad numérica de los cálculos.
Modelización de la capa límite atmosférica
El viento puede describirse mediante la noción de capa límite atmosférica, que se descompone en 3 subcapas:
- La capa exterior, o subcapa inercial, tiene un grosor aproximado de un kilómetro (que varía de 0,5 a 3 km).
- La capa límite superficial, de 10 a 100 m de espesor. Representa alrededor del 10% del espesor de la capa límite atmosférica. Es donde hay un gradiente significativo de velocidad del viento y temperatura. La dirección del viento permanece relativamente constante con la altura.
- La subcapa rugosa, de unos metros de espesor. Aquí los flujos son tridimensionales, desordenados y muy afectados por los obstáculos.
En el suelo, el viento se ve frenado por los obstáculos y la rugosidad del terreno. Por encima del suelo, en las capas de viento geostróficas inalteradas (a unos 5 km de altura), el viento ya no se ve influido por el estado de la superficie terrestre. Entre estas dos capas, la velocidad del viento cambia con la altitud sobre el suelo, siguiendo un perfil logarítmico. Este fenómeno se conoce como cizalladura vertical del viento.
Análisis direccional de casos múltiples
Las simulaciones se realizan para las ocho direcciones principales de la rosa de los vientos, que corresponden a una ráfaga de viento extrema según el Eurocódigo 1. Este enfoque de casos múltiples permite identificar las orientaciones más penalizadoras y caracterizar los efectos direccionales del emplazamiento.
Los valores de las direcciones intermedias (NNE, NEE, SEE, etc.) pueden estimarse mediante interpolación lineal de las direcciones simuladas más próximas.
Uso avanzado de los resultados y validación
Análisis físico e interpretación experta
Además de los resultados, la experiencia de EOLIOS reside en la interpretación física de los flujos. Las simulaciones permiten identificar con precisión el origen de los picos de presión, comprender sus mecanismos (estancamiento, interacción vórtice/estructura, canalización) y proponer palancas de optimización.
Los resultados incluyen:
- mapas de presión y coeficientes de presión,
- análisis direccionales comparativos,
- identificación de zonas críticas,
- recomendaciones de diseño.
La CFD permite el análisis detallado de los datos de geometrías simples y complejas, y la identificación tridimensional de las tensiones y los efectos del emplazamiento.
Referencias cruzadas con el enfoque analítico del Eurocódigo
Para validar los cálculos realizados. Es posible realizar cálculos analíticos según el Eurocódigo en geometrías muy simplificadas para proporcionar un orden de magnitud de las dimensiones.
De hecho, se puede calcular una estimación de la presión dinámica máxima utilizando el Eurocódigo, que luego permitirá establecer valores medios de presión aerodinámica en las caras acoplando la presión dinámica máxima con coeficientes de presión estándar específicos para las distintas caras de los edificios, disponibles en los ábacos del Eurocódigo.
La presión dinámica máxima puede calcularse mediante la fórmula siguiente:
qp(z) = [1 + 7 *Iv(z)] * 0,5 * ρ * vm(z)2
Además, para h> 2b, donde h es la altura de la torre y b es la longitud de su base en la dirección perpendicular del viento, se supone qp(z)=qp(h) para h-b < z < h. De ello se deduce, para z > h-b:
qp = [1 + 7 *Iv(h)] * 0,5 * ρ * vm(h)2
El coeficiente de presión varía en función del tamaño de la superficie considerada. Su valor máximo es cpe,1, el coeficiente de presión para una superficie A<1m2, que en la práctica permite calcular fijaciones pequeñas.
Las tablas del Eurocódigo proporcionan estos coeficientes de presión en función de la geometría encontrada.
Por último, la presión media máxima en 1m2 se determina mediante la siguiente fórmula P = qp*cpe.
Experiencia al servicio de proyectos controlados
Combinando un conocimiento detallado de los requisitos de las normas, conocimientos avanzados de CFD y la capacidad de interpretar físicamente los resultados, EOLIOS ayuda a sus clientes a asegurar y optimizar sus proyectos frente a los riesgos relacionados con el viento.
La CFD se convierte así en una herramienta estratégica para la reducción de riesgos, la justificación técnica y el control económico, al servicio de edificios seguros, sostenibles y de alto rendimiento.
¿Por qué complementar el Eurocódigo con un estudio CFD?
El Eurocódigo 1 proporciona un marco normativo indispensable para evaluar las acciones del viento, basado en geometrías idealizadas y coeficientes globales. Garantiza el cumplimiento de la normativa, pero alcanza sus límites en cuanto el proyecto pasa a formar parte de un contexto real complejo.
La simulación CFD permite superar estos límites integrando :
- la geometría real del edificio (formas complejas, retranqueos, ángulos, tejados atípicos),
- elentorno urbano y los efectos del emplazamiento (edificios vecinos, máscaras, cañones urbanos, efectos Venturi),
- un análisis local y direccional de las tensiones, destacando los picos de presión y las zonas críticas,
- Consideración detallada de las turbulencias y ráfagas, esencial para el diseño de elementos sensibles.
Combinado con el Eurocódigo, el CFD se convierte en una herramienta de ingeniería para la toma de decisiones, que permite asegurar las opciones de diseño, justificar técnicamente las hipótesis de dimensionamiento y limitar los riesgos de infradimensionamiento local o de exceso de conservadurismo.
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