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Ingeniería del viento o cómo no salir volando

Una de las cargas a considerar en el cálculo de una estructura es el viento. A la hora de considerarla solemos, siguiendo las normativas vigentes, contar con el dato de la velocidad de referencia del viento. Esta velocidad la solemos transformar, mediante diferentes parámetros, en una presión del viento sobre la estructura.

Pero… ¿Tenemos idea de cómo es esa velocidad? ¿Es mucha o es poca? ¿Qué efectos tiene?

En este post vamos a valorar el efecto del viento sobre las personas con el fin de poder tener una idea (de orden de magnitud) del viento que solemos aplicar a nuestras estructuras. Seguro que nos llevaremos alguna sorpresa.

Y por último, después de asombrarnos de la fuerza del viento que estamos aplicando, veremos algunos vídeos de fenómenos causados por el viento que nos enseñarán que, en ocasiones, la fuerza del viento es lo menos importante y que son los fenómenos dinámicos debidos a este los que pueden ser mucho más trascendentales en la estructura. Hablamos de la Aeroelasticidad; fenómenos como el Galope, Flameo, Bataneo

La fuerza del viento

Desde el punto de vista de las cargas aerodinámicas, el parámetro más representativo del viento es su valor medio. En Europa, desde que tenemos Eurocódigos, se ha convenido que este valor debe ser la velocidad media a lo largo de un periodo de 10 minutos, con un periodo de retorno de 50 años, medida con independencia de la dirección del viento y de la época del año, a una altura de 10 m en una zona plana y desprotegida, rural con vegetación baja.

El mapa de este valor en España es el siguiente:Viendo básico en España según IAP11

Para hacernos una idea de cómo son esas velocidades de viento, podríamos echar mano a la siguiente tabla. Se trata de una tabla que refleja los efectos del viento en personas, dependiendo de las velocidades de las ráfagas. En este caso se habla de ráfagas de 2 a 10 segundos de duración y a una altura de entre 1 y 2 m (altura de las personas):

tabla  viento en personas

Sorprendente ¿no?. Este tabla nos indica que las personas del vídeo anterior están experimentando ráfagas de entre 18 y 20 m/s. La normativa Española tiene vientos de hasta 29 m/s pero como media en 10 minutos por lo que es de esperar que en esos 10 minutos haya ráfagas de vientos con velocidades mucho mas altas. De hecho, si tiramos de históricos, podemos encontrarnos ráfagas de mas de 50 m/s en algunos puntos de España (podéis consultar datos históricos del viento en esta web).

Otras normas, como la Argentina CIRSOC 102-2005, utilizan, como velocidad de referencia, la de las ráfagas de 3 segundos de duración, también con un periodo de retorno de 50 años y medida a 10 m de altura:

argentina

Velocidad de referencia de las ráfagas de viento de 3 segundos de duración en Argentina.

Como complemento a la percepción de las velocidades del viento que barajamos en el cálculo de las estructuras, os adjunto la clásica escala de velocidades de viento Beaufort. Esta escala, publicada en 1806, es un intento de racionalizar las apreciaciones subjetivas del viento. Inicialmente estaba referida a fenómenos observables en el mar pero posteriormente se añadieron los observables en tierra quedando así:

Tabla Beaufort

Fenómenos de Aeroelasticidad

Sin embargo, algunas veces, la importancia del viento no estriba en su fuerza, si no en los fenómenos dinámicos que puedan ocasionar en la estructura.

Cuando un cuerpo elástico esta inmerso en el seno de una corriente fluida, actúan sobre él tres tipo de fuerzas:

  • La fuerza elástica, que depende de la deformación del cuerpo
  • La fuerza aerodinámica, producidas por la acción del fluido sobre el cuerpo
  • Las fuerzas de inercia debidas  a la aceleración del movimiento de la estructura.

Del juego entre estas tres fuerzas, dependiendo de la importancia relativa de una frete a las otras, surgen los diversos tipos de inestabilidades de las cuales vamos a hablar solo de tres:

1. Galope

El galope es una inestabilidad típica de las estructuras esbeltas que se puede presentar en estructuras con secciones transversales no circulares, en general de formas arbitrarias, como las que adoptan los cables de tendidos eléctricos cuando está cubiertos de hielo. En el siguiente vídeo se puede ver este fenómeno:

Estas estructuras pueden mostrar oscilaciones de gran amplitud en dirección transversal a la corriente incidente.

2. Flameo

Bajo el nombre de Flameo se agrupan diversas inestabilidades, muchas son mas de aeronáutica que de ingeniería civil. Puede aparecer en estructuras que tengan frecuencias propias semejantes en los modos de oscilación a traslación y a torsión.

Este fenómeno es típico de estudio detallado en puentes colgantes. Es el causante del derrumbe del Puente de Tacoma Narrows (puedes ver lo que le paso a este puente en la entrada “5 cagadas en la ingeniería de puentes por culpa de la resonancia“). En el siguiente vídeo podéis ver la modelización por ordenador del fenómeno Flameo en dicho puente:

3. Bataneo

Es aquella vibración que se produce por las turbulencias o perturbaciones no producidas por el obstáculo que las sufre, si no por otro cuerpo cercano.

Un ejemplo típico de bataneo de estela se produce entre rascacielos próximos en áreas urbanas, cuando la dirección del viento es tal que un edificio queda en la estela del otro.

En el siguiente vídeo podemos observar el modelado por ordenador de la interacción de las turbulencias creadas por unos rascacielos a otros próximos.

 

Por lo general, el cálculo de estas interacciones dinámicas viento-estructura suele ser muy complicadas de predecir, aún con los mas modernos programas de ordenador. Por tanto, cuando la estructura tiene especial importancia, se suele recurrir a ensayos a escala en túneles de viento.

En el siguiente vídeo podéis ver un ensayo en un túnel de viento de un modelo de puente colgante:

Espero que os haya resultado interesante.

Fuentes:

  • Instrucción de acciones a considerar en puentes de carretera IAP-11. Ministerio de Fomento
  • Reglamento Argentino de Acción del Viento sobre las Construcciones CIRSOC 102-2005
  • Aerodinámica Civil. Cargas de viento en las edificaciones. J.Meseguer. McGraw-Hill

 


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José Antonio Agudelo Zapata

Ing. Caminos, Canales y Puertos y Máster de Estructuras por la Universidad de Granada. Cofundador y responsable de Estructurando.net

7 Responses to Ingeniería del viento o cómo no salir volando

  1. Jacinto Rojas dice:

    Muy bueno el contenido de esta página Web………..seguiré en contacto.

  2. Anónimo dice:

    Exelente articulo

  3. Jorge Gonzalez dice:

    Muy interesante el artículo. Quisiera consultarles sobre el origen de la tabla de los efectos del viento en las personas, en función de la velocidad de las ráfagas. ¿Fue extraída de una normativa, es empírica o basada en alguna legislación?.
    Gracias

  4. Jorge Gonzalez dice:

    Estimado. Muy interesante el artículo. El mismo, da lineamientos claros de la interacción del viento con las actividades cotidianas. Me dedico a seguridad industrial, y tener parámetros claros para tomar una decisión es importante.
    Consulto si es posible conocer el origen de la tabla relacionada al efecto del viento sobre las personas, cuando hay ráfagas.
    No sé si la generaron ustedes, sale de una norma o legislación.
    Saludos y gracias.
    Jorge

  5. Miguel Angel dice:

    Estimado,interesante su informe.De todas maneras deben conocer los efectos aerodinamicos sobre las alas de un avion, de que manera se consigue sustentar 200tm en el aire con el perfil de las alas, creando diferencia de presiones entre la parte inferior del ala y la superior,diferentes velocidades de las lineas de corriente del aire en contacto con la superficie.Por supuesto que la potencia de los motores hace el resto.
    En una estructura conseguir un perfil aerodinamico del tablero no es complicado.

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