I.
INTRODUCCIÓN
Toda esta investigación se disparó
debido a que unos integrantes del equipo investigación pertenecen a la Fuerza
Aérea Argentina con varias misiones a la Antártida. En las misiones se había
observados algunos fenómenos de la acción de la nieve que parecían no coincidir
con los reglamentos vigentes en el diseño estructural. Los fenómenos que se
evidenciaron fue la acumulación y socavación excesivas de nieve en contra las
construcciones.
Obviamente este fenómeno se debe a
la localización y al motivo que los periodos de nevada son extremadamente
largos y que no existe la posibilidad de realizar el mantenimiento habitual de
otras locaciones. Por lo cual este fenómeno acurre sin la intervención o
mantenimiento humano que mitiguen los efectos de la nieve.
Al ver la forma de acumulación de
la nieve se evidenciaba que los perfiles de empuje de las construcciones
deberían cambiar por la acción de la acumulación excesiva de la nieve y por tal
razón la acción de la nieve afectaría al perfil alar de las construcciones.
Pero al desarrollar el proyecto
llegamos a una conclusión principal que consiste que la nieve no solo cambiaba
los coeficientes de empuje de las construcciones, sino que la nieve en
suspensión aceraba al viento.
Esto último es muy importante, ya
que el fenómeno no se circunscribe a la presencia de la nieve de lugares
extremos, sino que el fenómeno ocurrirá en otros lugares donde el viento quiera
pasar por materia en suspensión o donde se genere una cortina que impida el
flujo normal del viento, como partículas de agua de lluvia, polvos de minería o
cortinas de árboles.
Esto último es lo más importante,
ya que con este trabajo pudimos demostrar que el viento por querer pasar por la
cortina de partículas de nieve se acera y su velocidad depende de la cantidad
de partículas en suspensión de nieve. Por lo cual la nieve afecta al viento y
el viento acelerado traslada a la nieve.
Esta condición de codependencia
entre nieve y viento provoca que la combinación lineal de las acciones tratadas
en forma independiente pueda alejarse mucho de la realidad.
En nuestro análisis realizamos una
simulación en CFD en Fluent de ANSYS, en el cual modelamos dos ingresos
distintos, uno horizontal para el viento y otro vertical para la nieve hecho.
Este hecho es novedoso a otros trabajos donde el ingreso de viento y nieve
ocurre por el mismo lugar en forma horizontal.
Como resultado del modelo se puede
observar que la acción de viento y nieve en conjunto no cumple con la relación
lineal que establecen las normas (ASCE-7, CIRSOC)
II.
DESARROLLO
El análisis dinámico de
diversas construcciones en el ámbito de la ingeniería civil, ha adquirido una
gran importancia en la actualidad debido a los repetidos daños e inconvenientes
sufridos por diversas instalaciones tanto a las acciones dinámicas originadas
en causas naturales (sismo, viento, oleaje) como a las acciones generadas por
la actividad humana (tránsito peatonal y vehicular, trenes y subterráneos,
vibraciones de máquinas, explosiones, pilotajes, etc.).
En
particular dentro de la Aeroelasticidad, se analizan las vibraciones que
ocasiona el viento en estructuras cilíndricas [1], la clasificación de
acciones del viento en edificios [2], y como se ve afectada la acción
del viento sobre la estructura por la geometría que rodea al edificio [3].
En el diseño de las construcciones
la mayoría de los reglamentos vigentes como la ASCE-7 16 [4], CIRSOC [5], [6] o Euro-códigos,
analizan las acciones climáticas por separado y luego realizan una combinación
lineal de estas cargas calculadas.
Estos coeficientes de
combinación lineal varían según cada reglamento y además varían según la
edición del reglamento que estemos analizando y a medida que se analiza la
probabilidad de ocurrencia estos coeficientes son susceptibles de revisiones o
ajustes según se investiga.
Independientemente
de los coeficientes de combinación lineal adoptados, los reglamentos presuponen
que la acción del viento es independiente de la acción de la nieve y que la
acción del viento no es influenciada por la acción de la nieve. Dicho de otra
manera, que la acumulación de nieve no afecta al perfil aerodinámico de la
construcción y/o del terreno y por consiguiente que los coeficientes de
arrastre exterior sobre las construcciones no se ven afectados.
Esto puede ser bastante lógico, si
una persona tratara de limpiar la cubierta después de una nevada o al
considerar que el efecto del sol derrite la totalidad de la nieve sobre la
cubierta.
Pero dado que el trabajo
de investigación está localizado en la Antártida, con datos de la base
Marambio, es decir un lugar inhóspito y extremo, donde los temporales impiden
que las personas puedan realizar esas tareas de mantenimiento por lapsos muy
prolongados y donde la posibilidad que el sol derrita la acumulación de la
nieve se ve también disminuida por la escasa radiación solar. Es necesario
tener un procedimiento de cálculo para estas zonas.
El
presente trabajo de investigación modela la acción del viento y nieve en
conjunto en un programa de CFD. Los programas de CFD realizan un enfoque
distinto a los reglamentos ya que considera la interacción de las partículas
con el flujo. La interacción propuesta es 4way, es decir que las partículas
afectan al flujo y que además las mimas pueden colisionar generando partículas
más grandes.
Los
resultados obtenidos del aumento de la velocidad del viento por efecto de la
acción de la nieve se aplican a la totalidad del recinto, pudiendo afectar a
las edificaciones. La incidencia del aumento de velocidad sobre la edificación
dependerá de la ubicación de la edificación respecto de la ubicación de la nube
o tormenta de nieve.
Por la topografía y ubicación de la
Base Marambio se desestimó los efectos de rugosidad y topográficos que indican
los reglamentos para la evaluación del viento, lo que posibilita hacer
transportaciones a otros tipos de implantaciones más fácilmente.
III. MODELO UTILIZADO:
Para llevar a cabo el modelo se utilizó el software
Ansys. Para la modelación de la estructura se tuvieron en cuenta las
dimensiones de las edificaciones existentes en la base Marambio.
Entradas
de datos del modelo
Velocidades
de viento:
Se adoptaron las siguientes velocidades, 10 m/s (36 Km/h), 30 m/s
(108 km/h), 50 m/s (180km/h).
Como se puede ver en la siguiente
tabla 1 las velocidades son variadas desde una mínima sin viento hasta máximas
de 204 km/h, por lo tanto, viendo la gran variedad de valores de viento se
adoptaron los valores anteriormente mencionados.
Tabla 1
Densidad
del viento:
Se adoptó una densidad de 1,226 kg/m3. Esta
densidad es la correspondiente al reglamento ASCE7-16 [4]
Densidad
de la nieve en el aire
Se adoptó 100Kg/m3. La cohesión de la nieve
depende del contenido de humedad [6] estando en rangos de 40 y
250 kg/m3. Los copos de nieve se forman por trabazón de los mismos y
luego por la incrustación o sintetizado molecular. Estos copos de nieve seca se
forman con vientos bajos dando densidades de 80 kg/m3 a 150 kg/m3.
Tamaño
de partícula de la nieve:
Los
diámetros seleccionados fueron 0.5mm, 1 mm, 1.5mm y 2mm
Según en el momento de cristalización del vapor de
agua, el tamaño de la partícula podrá tomar distintos valores [7]. Como se puede ver en la
siguiente tabla para diferentes estados y formación de la nieve se tienen
distintas medidas.
|
Estado
|
Formación
|
Diámetro
|
Precipitación
|
|
Liquido
|
Llovizna
|
0.1/0.5mm
|
1mm/h
|
|
Liquido
|
Lluvia
|
0.5mm/1mm
|
2.5mm/h
-7.6mm/h
|
|
Solido
|
Cristal
de nieve
|
0.5-2mm
|
|
|
Solido
|
Copo
de nieve
|
1cm-2cm
|
0.3m/s
" 0.5 m/s
|
|
Solido
|
Escarchilla
|
5mic
|
0.5m/s
" 1m/s
|
|
Solido
|
Granizado
Blando
|
2mm a
5mm
|
2m/s
-5m/s
|
|
Solido
|
Grano
de Hielo
|
|
|
|
Solido
|
Granizo
|
5mm a
10cm o mas
|
|
Tabla 2
Velocidad
de entrada de la nieve:
Se ingresaron los siguientes valores de velocidad en
función del tamaño de las partículas.
|
Partícula
0.5 mm
|
V=3m/s
|
|
Partícula
1.0 mm
|
V=4m/s
|
|
Partícula
1.5 mm
|
V=5m/s
|
|
Partícula
2.0 mm
|
V=6m/s
|
Tabla 3
Estos
valores surgen de la tabla 2
Fracción
volumétrica de la nieve en el ingreso:
Los
valores ingresados son 0,1 (10%), 0,3 (30%), 0,6 (60%) y 0,9 (90%)
La fracción volumétrica
significa la cantidad de sólido por volumen de control. Es decir, una la
fracción volumétrica del 10% indica que el área de ingreso estará ocupada por
el 10% del sólido (nieve). Hemos tomado las fracciones volumétricas anteriores.
Coeficiente
de fricción:
Se
consideró el valor de 40º
Este valor corresponde al análisis de la fuerza de
fricción entre copo de nieve y copo de nieve suponiendo un manto de nieve,
además se considera la fuerza de arrastre para trasladar el copo a otro lugar
de acumulación. En función la tabla que figura en [7] se ha seleccionado el
valor.
Modelo
geométrico de la estructura
La argentina cuenta con 7 bases permanentes y 13 bases
temporales. Las bases permanentes son: Belgrano II, Carlini, San Martin,
Esperanza, Marambio, Orcadas, y Petrel. En la siguiente imagen se pueden ver
las viviendas de la Base Esperanza, que son alojamientos característicos de la
zona
Fig. 1
Como
se puede observar la mayoría de las viviendas tienen cubiertas inclinadas tipo
de dos aguas, y un par de edificios con techos curvos.
En el siguiente esquema se tiene una vista lateral de
las edificaciones existentes en un sector de la Base Marambio, y los cortes
transversales de las estructuras.
Fig. 2
En la mayoría de los casos con
cubierta tipo a dos aguas, de todas ellas, se seleccionó la siguiente
estructura:
Fig. 3
Con las siguientes consideraciones
para el diseño del esquema a plantear en el programa CFD:
Fig. 4
Altura hasta la cubierta h = 8m;
ancho del edificio b1 = 14m; ancho entre pared y cumbrera b2 =
7m; pendiente del techo a = 25º; largo de la estructura l = 30m,
Se considera también una
permeabilidad a las acciones externas nulas, esto depende de los materiales y
de la geometría, pero en una primera aproximación lo idealizamos y suponemos
que el viento junto con la nieve no genera acciones internas, es suponer una
estructura estanca.
Este modelo de estructura se usará
para analizar el modelo aerodinámico bajo la acción del viento y nieve con las
características de la zona antártica.
Modelo
de cálculo para la simulación
La simulación se llevó a cabo con el software Fluent
2020 R2 de Ansys.
Las medidas del recinto son 1400 m de largo x 100 m de
alto ubicándose la estructura en la mitad del recinto, como se puede ver en la
siguiente figura
Fig. 5
La parte oscura de la Fig. 5 es donde se considera la
fricción entre nieve y nieve (ver coeficiente de fricción).
Las flechas verticales indican la entrada de la nieve
con las consideraciones de densidad, tamaño de partícula, velocidad y fracción
volumétrica.
Las flechas horizontales azules indican el ingreso del
viento y las rojas la salida del mismo.
IV. RESULTADOS
De acuerdo con el modelo anterior se corrieron
diferentes simulaciones con entradas de viento de 10 m/s, 30 m/s y 50 m/s y con
fracciones volumétricas de nieve de 5%, 10%, 30%, 60% y 90%. Obteniendo como
resultado: a) velocidades máximas dentro del recinto, b)
velocidad del recinto en la posición X =700 m, Y =50 m, dicha posición se
encuentra por arriba de la estructura. c) velocidades sobre la pared de la
estructura a barlovento y sotavento. d) velocidad del viento sobre el techo de
la estructura a barlovento y sotavento.
Nota: Velocidades en m/s
Tabla 4
Los valores obtenidos para la velocidad de 30 m/s de
viento y 10% de fracción volumétrica, se desestiman debido a que dan valores
muy altos y se escapan del rango de valores que se obtienen con las otras
velocidades y fracciones.
Los valores que dan cero sobre la
estructura, tanto en pared como en techo indican que la nieve se ha adherido a
la estructura.
Fig. 6
La imagen (Fig. 6) se corresponde con una entrada de
viento de 30 m/s y una fracción volumen nieve de 5%. Como resultado las
diferentes gamas de colores (azul velocidad mínimo de 0 y rojo con velocidad
máximo 80m/s) indican las distintas velocidades de viento y nieve en conjunto
dentro del recinto modelado.
Fig. 7
La imagen (Fig. 7) se corresponde con una entrada de
viento de 30 m/s y una fracción volumen nieve de 5%. En este caso se recortó el
modelo en las inmediaciones de la estructura, como en la figura anterior las
diferentes velocidades están indicadas por las gamas de colores (azul velocidad
mínimo de 0 y rojo con velocidad máximo 40m/s)
Análisis
de resultado:
En vista de los valores obtenidos en el recinto
podemos ver que la acción de viento y nieve no siguen una función lineal tal
como lo consideran las normas ASCE-7
[4], CIRSOC [5] [6]. Los siguientes
gráficos han sido confeccionados a partir de la tabla 4
En este gráfico (Graf. 1) podemos ver las velocidades
máximas para una entrada de viento y para los diferentes valores de fracción
volumétrica de nieve (Azul), en color rojo se encuentra el ajuste lineal. Como
se puede observar no existe una correlación lineal entre la acción del viento y
de la nieve. Lo mismo ocurre si tomamos las distintas velocidades de viento
como entrada en función de las volumétricas de nieve.
Si analizamos las velocidades en un punto fijo del
recinto. Coordenadas X=700 m Y= 50 m obtenemos el siguiente gráfico (Graf. 2):
Como se puede ver si en vez de considerar los valores
máximos de viento dentro del recinto se considera un punto fijo, tampoco se
obtiene una correlación lineal.
El siguiente gráfico (Graf. 3) corresponde a los
valores de viento en las coordenadas X=700 Y=50 para una fracción volumétrica
de nieve constante del 10% y a distintas velocidades de entrada del viento
Como se puede observar tampoco
mantiene una relación lineal entre la acción del viento y la nieve.
V.
CONCLUSIONES
La acción dinámica del aire se ve aumentada por la
presencia de las partículas de nieve, esto se debe a que el aire debe pasar
entre las partículas, lo que provoca su aceleración, llegando a ser en
promedio, 4 veces más grande que la velocidad de entrada.
Como se puede observar en los análisis de resultados,
la relación lineal entre viento y nieve que establecen las normas [4] [5] [6] no se cumple cuando se
produce una interacción dinámica. Como muestran los gráficos no existe una
correlación lineal.
Queda para futuras investigaciones
realizar un modelo más ajustado y analizar los perfiles aerodinámicos (Cd) que
establecen las normas y compararlos con los obtenidos en un nuevo modelo
VI. AGRADECIMIENTOS
A nuestros abuelos que siempre
creyeron que la educación era un bien supremo que uno podía acceder con mucho
esfuerzo y dedicación, como en esta investigación.
VII. REFERENCIAS
Y BIBLIOGRAFÍA
[1] "Análisis de vibraciones
aeroelásticas en estructuras esbeltas sometidas a cargas de viento" " Ali
Vasallo Belver " Tesis Doctoral, Universidad de Valladolid - Año 2009.
[2] "Comparative study of major
international wind codes and standards for wind effects on tall buildings" -
Dae Kun Kwon, Ahsan Kareem - Engineering Structures 51, ScienceDirect
(Elsevier), pp 23- 35 " Año 2013.
[3] "Effect of recessed cavities on
wind-induced loading and dynamic responses of a tall building" - S.Y. Wong,
K.M. Lam " Journal of Wind Engineering Industrial Aerodynamics 114
ScienceDirect (Elsevier), pp 72 - 82 " Año 2013
[4] ASCE7-16, "Minimum Design Loads
and Associated Criteria for Buildings and Other Structures", standard by
American Society of Civil Engineers, 06/19/2017- ISBN(s): 9780784414248,
9780784479964
[5] Reglamento CIRSOC 102,
"Reglamento Argentino De Acción Del Viento Sobre Las Construcciones", Editado
por INTI (Instituto Nacional De Tecnología Industrial), año2008.
[6] Reglamento CIRSOC 104,
"Reglamento Argentino De Acción De La Nieve Y Del Hielo Sobre Las
Construcciones", Editado por INTI (Instituto Nacional De Tecnología
Industrial), año2008.
[7] "Manual De Nieve Y
Nivometría", Vol. 1, Ministerio De Obras Públicas Dirección General De Aguas
(República De Chile) - Geoestudios Ltda. " Diciembre 2008
Otras recomendaciones generales
Este trabajo de
investigación podrá ser tenido en cuenta por el reglamento CIRSOC 102-05 para
futuras revisiones debido a que dicho reglamento no posee estadísticas en la
zona Antártida,
El trabajo se limita a la
geometría y condiciones de borde indicadas
La modelación realizada se
continuará con los trabajos de campo de la próxima campaña a la Antártida.