La determinación precisa de las cargas de viento que actúan sobre las estructuras urbanas es fundamental para garantizar su seguridad y desempeño adecuado.
Un aspecto crucial a considerar en este proceso es la influencia de la capa límite del terreno (también conocida por sus siglas anglosajonas ABL – Atmospheric Boundary Layer), la cual puede tener un impacto significativo en la distribución y magnitud de dichas cargas. La capa límite del terreno se refiere a la delgada región de la atmósfera adyacente a la superficie, donde la velocidad del viento se ve afectada por la rugosidad y las características del entorno.
En entornos urbanos, las variaciones en la altura, densidad y morfología de los edificios y obstáculos presentes pueden dar lugar a una capa límite del terreno compleja y altamente heterogénea.
Ignorar esta consideración puede llevar a subestimar las cargas de viento, lo cual podría comprometer la integridad estructural y la seguridad de las edificaciones. Por lo tanto, es fundamental integrar el efecto de la capa límite del terreno en el análisis y diseño de las estructuras urbanas. Dos enfoques comúnmente utilizados para evaluar su influencia son la simulación computacional de dinámica de fluidos (CFD) y los ensayos en túneles de viento.
Si bien los túneles de viento proporcionan una representación física del fenómeno, permitiendo la medición directa de las cargas de viento sobre un modelo a escala, la modelación CFD permite analizar en detalle la interacción entre el flujo de viento y la geometría del entorno urbano, considerando la complejidad de la capa límite, con una mejor relación número de ensayos/precio y un mayor nivel de detalle que los ensayos de túnel de viento. No obstante, los modelos numéricos requieren de validación por comparativa con resultados experimentales, por lo que ambas metodologías conviven, de modo que el análisis CFD se emplea durante el proceso de diseño, ofreciendo una alta capacidad para realizar análisis de sensibilidad y optimización con objeto de obtener un diseño final, que será validado mediante pruebas experimentales en túnel de viento.
La correcta modelación de la capa límite del terreno es fundamental en las simulaciones CFD para lograr una validación favorable y evaluar adecuadamente las cargas de viento.
En este sentido, el uso de herramientas CFD, como ANSYS Fluent u OpenFOAM requiere una adecuada parametrización y configuración del dominio computacional y las condiciones de contorno. Algunos de los aspectos clave a tener en cuenta en dicha configuración son:
- Dominio computacional: Asegurar que el dominio sea lo suficientemente grande para capturar la evolución de la capa límite del terreno y evitar la influencia de los límites del domino sobre los resultados obtenidos en la geometría a analizar
- Malla computacional: Generar una malla refinada capaz de captar con precisión los gradientes de velocidad y turbulencia, de acuerdo a la capa límite del terreno y a los requisitos del modelo de turbulencia empleado.
- Condiciones de contorno: Especificar un perfil de velocidad y turbulencia de entrada que represente la variación de la velocidad del viento con la altura, acorde con la capa límite del terreno a analizar
- Modelos de turbulencia: Emplear modelos de turbulencia que puedan capturar adecuadamente los efectos de la capa límite y reproducir con precisión las zonas de desprendimiento de flujo
- Validación y verificación: Comparar los resultados CFD con datos de campo o ensayos en túnel de viento para asegurar que el modelo numérico representa correctamente la influencia de la capa límite y las cargas de viento resultantes.
Al incorporar adecuadamente estos aspectos en las simulaciones CFD, se puede lograr una evaluación precisa de la distribución y magnitud de las cargas de viento, considerando la complejidad de la capa límite del terreno en entornos urbanos. Esto es crucial para un diseño estructural seguro y optimizado.
En conclusión, la consideración de la capa límite del terreno es fundamental para una determinación precisa de las cargas de viento actuantes sobre las estructuras urbanas. Ignorar este aspecto puede conducir a un diseño estructural inadecuado y poner en riesgo la seguridad de las edificaciones. La aplicación de técnicas como la simulación CFD y los ensayos en túneles de viento son herramientas valiosas para abordar esta problemática y garantizar la correcta evaluación de las solicitaciones de viento.
CADE, con más de 20 años de experiencia en cálculo estructural y CFD, cuenta con metodologías propias, desarrolladas con objeto de asegurar la calidad y precisión de los resultados obtenidos, teniendo en cuenta los estándares establecidos en códigos internacionales (Eurocódigo, ASCE) a la hora de definir las condiciones de contorno y evaluar las cargas de viento resultantes del impacto de la capa límite del terreno sobre las estructuras objeto de análisis.
