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ANÁLISIS EN TÚNEL DE VIENTO DE BARRERAS CORTAVIENTO S PARA LA ESTACIÓN DE AUTOMÓVIL CLUB, PASO JAMA

Dr. Ingeniero Civil Mario Eduardo De Bortoli, Facultad de Ingeniería (UNNE).

En el año 2009 fue distinguido con el Premio “Ing. Enrique Butty 2009” por la Academia Nacional de Ingeniería. Profesor Titular Ordinario de Mecánica de los

Fluidos.

Msc. Ingeniero Mecánico Jorge Omar Marighetti, Facultad de Ingeniería (UNNE). Profesor Adjunto y Asociado, en las cátedras de Control automático de Procesos y

Sistemas de Control. Resumen Condiciones de viento peligrosas a nivel del suelo o ambientes no confortables se producen por ráfagas de viento, que son desviadas al impactar la estructura. Similar situación, se producen en construcciones bajas y aisladas, emplazadas en zonas ventosas, como es el caso de esta estación expendedora de combustibles del Automóvil Club Argentino (ACA) construida en Paso Jama (Jujuy). Este trabajo presenta los resultados de un estudio realizado por el Laboratorio de Aerodinámica de la Facultad de Ingeniería (UNNE), solicitado por Ingeniería y Arquitectura KENNY S. A., en el que se describe el diseño de barreras cortavientos, a fin de mejorar el abrigo, seguridad, nivel de confort de personas y bienes involucrados en la operación de esa estación. En ensayos en túnel de viento se determinaron áreas críticas con técnicas de visualización mediante elementos direccionales y erosión controlada de elementos sólidos, previamente calibrados. Parar optimizar la ubicación, características y dimensiones de la barrera se diseñaron y calibraron dispositivos especiales, que permiten medir la velocidad media. Se midieron además, distribución de presiones estáticas en la estructura para cuantificar modificaciones del estado de cargas respecto a el diseño original. Los resultados permitieron determinar la posición, dimensiones y permeabilidad de la barrera cortaviento.

Abstract

Dangerous wind conditions at ground level or not comfortable environments are caused by wind gusts, which are deflected on impact structure. Similar situation occurs in low and isolated buildings, located in windy areas, such as this station fuel dispenser Automobile Club Argentino (ACA) built in Paso Jama (Jujuy).

This paper presents the yields of a study conducted by the Laboratorio de Aerodinámica of the Facultad de Ingeniería (UNNE), requested by KENNY SA Engineering and Architecture, which describes the design of windbreaks, to improve the shelter, safety, people and property comfort level involved in the station operation. Critical areas identified wind tunnel tests by directional elements and solid elements controlled erosion visualization techniques, previously calibrated. Barrier place optimization, dimensions and permeability are designed using calibrated special at level ground speed measurement devices. Adding, structure static pressure distributions were measured, to quantify load changes on the original design. The results allowed determine place, size and permeability barrier.

1. INTRODUCCIÓN.

La construcción de edificios modifica la dirección de la trayectoria del escurrimiento medio del viento atmosférico, generando en algunos casos, altas velocidades en zonas donde por su altura respecto al suelo sería de esperar velocidades inferiores. Estas alteraciones pueden obstaculizar el normal desarrollo de las actividades previstas en ciertas áreas, es decir, la presencia de cierto tipo de edificación origina áreas no confortables y hasta condiciones de viento peligrosas a nivel del suelo. Para paliar esta situación, se elaboraron criterios de aceptabilidad para los niveles velocidad de viento en áreas públicas, adicionándose una nueva condición de diseño que pondera la actividad prevista en el diseño con los fenómenos aerodinámicos, generados por la interacción del escurrimiento de masas de aire y la geometría de las construcciones existentes y futuras.

Básicamente, en áreas urbanas la situación se origina porque las velocidades relativamente altas que se producen a gran altura, al incidir sobre las construcciones elevadas son desviadas a nivel del suelo, originando estas situaciones imprevistas. Como caso particular, en Japón se construyeron edificios de gran altura, proyectando un área de influencia aerodinámica en planta que incluye regiones donde se localizan construcciones bajas. En estos casos los peatones comenzaron a tener dificultades para caminar en días ventosos en muchas ciudades [1]. Situaciones similares se producen en construcciones relativamente bajas y aisladas, emplazadas en zonas muy ventosas, como es el caso de esta estación expendedora de combustibles del Automóvil Club Argentino (ACA).

Este problema comienza a considerarse recientemente en el país. El Laboratorio de Aerodinámica, en una de sus líneas de investigación, plantea el estudio sistemático de esta problemática, y en 2008 integrantes del mismo realizan el primer trabajo que fue presentado en el Congreso de la Asociación de Ingenieros Estructurales (AIE) [2].Otro antecedente relevante realizado en Sud-américa, que fue tenido en cuenta en este trabajo, es el estudio de barreras eólicas de protección en un parque de almacenamiento de carbón en Vitoria, Brasil, realizado por el Laboratorio de Aerodinámica de las Construcciones (LAC) de Porto Alegre [3].

A continuación se presentan los resultados de ensayos realizados en el túnel de viento “J. P. Gorecki” del Laboratorio de Aerodinámica de la Facultad de Ingeniería, Universidad Nacional del Nordeste, para evaluar la implementación y comportamiento de barreras cortavientos en la estación expendedora de combustibles del ACA, ubicada en la localidad fronteriza de Paso Jama, Jujuy.

El estudio, realizado a partir de modelos a escala reducida en el túnel de viento, permitió analizar aerodinámicamente el comportamiento de barreras cortavientos, optimizar su ubicación y sus características, con el objeto de adecuar las velocidades de viento en la zona de operación de la estación. Se realizaron mediciones de velocidades de viento locales y de coeficientes de presión sobre la estructura de la estación para diferentes configuraciones. Previamente, se realizaron ensayos de visualización con modelo aislado (sin barreras), usando material erosionable y elementos direccionales (hilos de lana) para determinar las zonas críticas. Las velocidades locales fueron medidas por sensores especiales diseñados para medir velocidades medias en ambientes reducidos a nivel de peatones [4]. De forma complementaria, considerando que la cubierta en la playa expendedora es una estructura liviana y de forma aerodinámica sensible a desarrollar altas

componentes de fuerza de sustentación, se determinaron la distribución de los coeficientes de presión sobre paredes y cubiertas de la estación, a fin de evaluar las modificaciones introducidas en la distribución de los coeficientes de presiones locales, al adicionar barreras cortaviento respecto a las consideradas en el cálculo de diseño como estructura aislada.

2. DESCRIPCIÓN DEL SITIO DE EMPLAZAMIENTO DE LA ESTACIÓN ACA DE PASO JAMA

La estación de servicio del ACA, construida en Paso Jama en la Provincia de Jujuy, localizada en latitud 23º 14` S, longitud 67º 01` O y a 4094 metros altura respecto al nivel del mar, en el cordón montañoso de la Cordillera de los Andes. Las características topográficas en que se emplaza está constituida por dos tipos de terrenos: elevados de montaña y relativamente planos. Los primeros, se hallan a una distancia que supera ampliamente veinte veces la altura máxima de la estructura; en tanto, en un entorno cercano a la estación, las dimensiones del terreno plano permiten alcanzar velocidades de vientos fuertes, completamente desarrollados [5]. En figura 1 se observa el lugar de emplazamiento de la estación ACA de Paso Jama, las características del terreno y algunas construcciones aledañas, a sotavento de las direcciones de viento predominante, cuyo efecto de vecindad no resulta aerodinámicamente relevante.

Fig. 1: Características del terreno alrededor del emplazamiento de la Estación ACA de Paso Jama (Gentileza KENNY RISSO S.A.).

3. TÚNEL DE VIENTO DE LA UNNE

El túnel “Jacek P. Gorecki” de la UNNE es un túnel de capa límite de circuito abierto. La longitud total del túnel es de 39,65 m. La cámara de ensayos tiene 2,4 m de ancho x 1,8 m de alto x 22,8 m de largo. Posee dos mesas de ensayos giratorias de 1,2 m de diámetro; una a 3,8 m del inicio de la cámara (mesa I), y la otra a 19,4 m (mesa II). Un ventilador axial de 2,25 m de diámetro accionado por un motor trifásico inductivo de 92 kW produce una velocidad máxima en vacío de 25 m/s en la mesa II.

En figura 2 se aprecia un croquis del túnel y en figura 3 una fotografía exterior del mismo. Más información pueden encontrarse en Ref. [6]

ContractionHoneycombMotor Turntable II

A ir f l o w

0 , 64 , 2 0

3 , 8 0

1 9 , 4 0

1 5 , 6 03 , 4 0

3 , 6 00 , 81 , 2 57 , 0 0

3 , 4 º

1 , 50

1 , 50

0 , 3 0

1 1 ,2 07 , 2 02 , 0 02 , 4 0

0 , 5 0

Fig. 2: Planta y vista del túnel de viento “Jacek P. Gorecki” de la UNNE.

Fig. 3: Túnel de viento “Jacek P. Gorecki” de la UNNE.

3.1 SIMULACIÓN EN TÚNEL DE VIENTO

La técnica de simulación de la capa límite atmosférica implementada en el túnel de viento se encuentra comprendida dentro de los métodos de rugosidad, barrera y dispositivo de mezcla [7], y permitió obtener escalas de simulación convenientes para su utilización en el área estructural. Se colocaron 12,1 metros de rugosidad superficial sobre el piso del túnel, y a barlovento de esta rugosidad, dos agujas truncadas del tipo de Irwin [8] para producir un déficit inicial de cantidad de movimiento con el fin de obtener una mayor escala de simulación, y a la vez distribuir en altura el déficit de cantidad de movimiento introducido para logar características semejantes a las atmosféricas (figura 4).

El conjunto de simuladores fue dimensionado de acuerdo al tipo de terreno en el cual se encuentra la estación. Este terreno corresponde a la categoría de exposición II, conforme a la clasificación del reglamento CIRSOC 102 [9], y está definida como:

“Zonas llanas, poco onduladas con obstrucciones dispersas, tales como cercas, árboles o construcciones muy aisladas con alturas entre 1,5 y 10 m”.

Fig.4: Modelo en cámara de ensayos del túnel de viento de la UNNE y equipamiento de simulación de viento natural.

Las figuras 5 y 6 muestran las principales características del viento simulado en el túnel: perfil de velocidades medias equivalentes a medias horarias de la atmósfera y perfil de intensidad turbulencia [10]. Una discusión más detallada de esta simulación puede ser encontrada en la Ref. [11].

0

20

40

60

80

100

120

140

0,6 0,8 1,0 1,2 1,4

z [cm]

U/Ur e f

n = 0.14

Experimental Power law

Fig. 5: Perfil de velocidades medias.

0

20

40

60

80

0.00 0.05 0.10 0.15

Iu

z[cm

]

Fig. 6: Intensidad de turbulencia local

Para que los coeficientes adimensionales obtenidos en ensayos con modelos reducidos, puedan ser extrapolados a escala real, los modelos son dimensionados considerando las leyes de semejanza geométrica, cinemática y dinámica [12]. En la primera, las longitudes relevantes, desde el punto de vista aerodinámico, se reducen proporcionalmente a una escala constante. Así, es necesario reproducir a escala la variación en altura del perfil de velocidades medias en el túnel de viento. La escala

de simulación obtenida por el Método de Cook para este tipo de terreno, es de 1:50, con la que se reprodujeron los detalles geométricos de la estación ACA Paso Jama. La semejanza cinemática requiere que el campo de velocidades, medias y fluctuantes del escurrimiento en el túnel de viento sea similar al correspondiente a un terreno plano (CIRSOC 102, Capitulo 6). En cuanto a la semejanza dinámica se alcanzó con altos números de Reynolds, donde la conjunción de escurrimiento turbulento del viento simulado y modelo reducido de la estación con formas angulares de aristas vivas, permiten independizar la condición de igualdad en el Número de Reynolds. El modelo de la estructura de la estación construido en madera, en una escala geométrica 1/50 compatible con la escala del viento atmosférico simulado en el túnel de viento, representándose detalles de relevancia aerodinámica apropiados para este estudio.

4. MODELO Y SECUENCIA DE ENSAYO

Los ensayos en túnel de viento fueron realizados sobre modelo a escala reducida rígido conforme al Capítulo 6 (Método 3 - Procedimiento en túnel de viento) del Reglamento CIRSOC 102. Se tuvieron en cuenta las condiciones reales de vecindad en torno a la estructura, las características medias y los parámetros de turbulencia del viento atmosférico correspondiente al terreno de emplazamiento de la estructura.

El modelo se ensayó en mesa II, para ensayos de estructuras civiles, donde la velocidad máxima en vacío alcanza los 80 km/h. Se realizaron mediciones de las presiones sobre paredes y techos de la estación y velocidades locales, medias y desvío estándar, en la zona de tránsito y operaciones de la misma.

La ubicación respecto al Norte, en la localidad de Paso Jama de la estación y las direcciones analizadas en estos estudios, son dispuestas y denominadas tal como se muestran en figura 7.

Fig. 7: Planta de la Estación ACA de Paso Jama, con las direcciones de viento analizadas en este estudio.

Ante la escasa disponibilidad de información climática, velocidades de vientos locales, direcciones predominantes y periodos de recurrencia, para la caracterización del tipo de viento se realizó un análisis en base a la información disponible de la zona. De la inspección visual de la estructura, del entorno, consultas de los residentes transitorios y permanentes en el lugar, se concluye que la dirección del viento predominante, de mayor severidad, resulta proveniente de Sur-Oeste.

5. INSTRUMENTAL Y ARREGLOS EXPERIMENTALES

Para determinar las velocidades medias y fluctuantes en los sensores de velocidades locales se registraron muestras simultáneas, equivalentes a 10 minutos en escala real, con frecuencia de muestreo de 500 Hz y períodos de registros de 16 segundos. Estos, se realizaron con transductores de presión Micro Switch Honeywell 163 PC por cada sensor de velocidad local. La señal de los transductores se adquirieron con placa adquisidora Computer Board de 16 bits y los registros se procesaron con software desarrollado en este laboratorio [13]. En figura 8 se observan detalles del sensor de velocidades locales.

Los registros de las presiones medias correspondientes a las tomas de presión ubicados sobre las paredes y techos de la estación, fueron medidas en diferentes configuraciones de escurrimientos y direcciones de viento medio incidente. Las 78 tomas de presión, se conectaron al multimanómetro de alcohol por medio de mangueras de PVC.

Fig 8: Sensores de velocidades locales en sus posiciones de medición en el modelo.

6. MEDICIÓN DE VELOCIDADES LOCALES CON MODELO AISLADO

Para disponer de información del comportamiento de los vientos sobre la estación de Paso Jama se recurrió a indagación de personas operadores de la estación. Así, se estableció que los vientos más frecuentes y severos, que provocan trastornos en el playón de servicio y zona de tránsito de usuarios, son los provenientes del Sur-Oeste. En esta dirección se verificó mediante inspección visual efectos de erosión eólica sobre la estructura, provocados por el impacto partículas sobre las paredes (traseras) de la estación. Menos frecuentemente, y con mucho menos severidad, inciden sobre la estación vientos provenientes del sector Nor-Oeste, particularmente a ciertas horas de la tarde.

Los primeros ensayos del modelo en túnel de viento, se realizaron con el modelo aislado, sin barreras cortavientos ni edificios cercanos, cuyos efectos de vecindad fueron desestimados a partir de la información disponible. Se emplearon tres variantes de ensayo: erosión eólica controlada de sedimentos calibrados, elementos direccionales (hilos de lana) para la de detección y comportamiento de las líneas de corriente de flujo y, por último, mediciones cuantitativas con sensores de velocidades locales. Con los dos primeros, se logró la detección de desprendimientos de capa límite y la ubicación de los sensores de velocidades locales en el modelo.

Las mediciones de velocidades realizadas en túnel de viento con modelo reducido confirmaron que los vientos provenientes de Sur-Oeste, previamente identificados como los más frecuentes, son los que generan las máximas velocidades medias localizadas en zonas de mayor tránsito de personas de la estación (parte frontal de la estación y playa de expendio de combustible).

7. DETERMINACIÓN DE ÁREAS DE ACELERACIÓN DEL ESCURRIMIENTO. ENSAYO DE EROSIÓN EÓLICA CONTROLADA.

Los ensayos de erosión eólica, permiten optimizar la ubicación de los sensores, para medir velocidades locales de escurrimiento. La técnica consiste en esparcir sedimentos sólidos en el entorno a la estructura bajo análisis, cuyos umbrales de velocidad de desplazamiento han sido previamente determinados sin la participación de la estructura, antes de posicionar el modelo.

El ensayo incluye la interacción de las escalas del escurrimiento con la estructura, permitiendo detectar tempranamente zonas puntuales donde se generan altas velocidades del escurrimiento. En primera instancia, identifica zonas o áreas donde se generan ráfagas intensas de viento provocadas por la contracción de las líneas de o remolinos intensos surgidos de los desprendimientos de la capa límite provocados por la presencia de obstáculos. En figura 9 se observan ensayos en túnel de viento de erosión eólica realizados sobre el modelo de la estación para detectar zonas criticas de velocidades de viento locales, realizadas para cuatro direcciones de viento incidente, 0, 30, 60 y 90 grados, sin barreras.

Fig. 9: Ensayos de erosión eólica sobre el modelo de la Estación ACA de Paso Jama para direcciones de viento incidente.

8. MEDICIÓN DE VELOCIDADES LOCALES CON MODELO AISLADO Y CON BARRERAS

El análisis de la información obtenida de los ensayos anteriores, permitió definir la ubicación de los sensores de velocidades locales en las zonas de tránsito de la estación. En figura 10 se observa la disposición y ubicación de los sensores de velocidad local en el modelo de la Estación ACA, (Plano JAMA A03-A04-Rev.E2000).

Fig. 10: Modelo de la Estación ACA de Paso Jama con sensores de velocidades

locales posicionados en sus puntos de medición.

En los registros, se analizan parámetros de relevancia tales como, velocidades medias y desvío estándar. Los resultados obtenidos, para las direcciones de 0, 30, 60 y 90 grados incidiendo sobre el modelo aislado se muestran en figura 11.

Velocidades locales - Modelo aislado Vref.= 15,7 m/s

Serie1 Dirección de viento 0º




0.00

5.00

10.00

15.00

20.00

25.00

30.00

0 1 2 3 4 5 6 7 8

Sensor de velocidades locales

Vel

ocid

ad M

edia

[m/s

]

Serie1Serie2Serie3Serie4

Fig. 11: Registros de valores medios de las velocidades locales para direcciones

de viento incidente de 0º, 30º, 60º y 90º con modelo aislado.

El gráfico precedente, evidencia que las direcciones de viento medio de 30 y 60 grados son las que más influyen sobre las velocidades locales a nivel de peatón en sitios de mayor tránsito de personas.

Con el objeto de minimizar el efecto del viento medio y su interacción con la construcción se analizan diversos diseños de barreras cortavientos. Para ello, se

varió la ubicación, altura, longitud y grado de permeabilidad de la barrera, verificándose su desempeño en las mismas direcciones de viento analizadas en el modelo aislado. Los criterios con que se diseñaron las barreras, estuvieron condicionados a alturas del mismo orden de la estructura de la estación y compatibles con sus dimensiones, optimizando su longitud y sin generar alteraciones apreciables en los estados de carga debido al viento. En cuanto a su ubicación, prevalece el criterio de no perturbar el normal desplazamiento de vehículos y personas en la estación.

El desempeño de las barreras cortavientos, se reflejó en la disminución de las velocidades medias locales y el desvío estándar, en el área de operaciones y tránsito de personas en la estación. En figura 12 se muestra un ensayo de modelo con barrera y en figura 13 se muestran las posibles localizaciones de las barreras cortavientos analizadas en estudios en túnel de viento. En esta figura la disposición de barreras oblicuas h=1 es la distancia a la barrera oblicua más cercana a la estructura y h=2 a la más alejada a la estructura.

Fig. 12: Planta de la estación ACA, Paso Jama, con barreras cortavientos durante

los ensayas en el túnel de viento.

Fig. 13: Planta de la Estación ACA de Paso Jama, mostrando las posibles

posiciones de las barreras cortavientos.

9. ANÁLISIS DE BARRERAS PARA DIRECCIONES DE VIENTOS MÁS SEVEROS

De análisis de datos extraídos de los ensayos del modelo aislado (figura 11), las máximas velocidades se obtuvieron para una dirección de viento incidente de 60º. La

disposición adoptada para la traza de las barreras denominadas oblicuas, son propuestas en función de obtener un área operable convenientemente ante la ocurrencia de vientos intensos, que contemple un rango de direcciones de viento en un rango de 60º. Las dimensiones de la barrera fueron establecidas en función de los resultados de los ensayos de visualización con elementos direccionales. La altura, ubicación y permeabilidad de las barreras resultan del análisis de las mediciones registradas en los sensores de velocidades locales. La permeabilidad de las barreras, expresadas en términos de la relación entre el área efectiva de descarga y la superficie total, es de 15 %. En figura 14, con viento incidente de 60º, se observan los resultados de las mediciones en los puntos de emplazamiento de los sensores de velocidades locales para dos alturas y dos posiciones de barreras; en el gráfico, se agrega como referencia, la velocidad local con modelo aislado y dirección de viento de 60º (Serie 1). Las alturas de las barreras estudiadas, fueron de 1H y 2H, siendo H igual a la altura del alero (H=4,55 m), en tanto que las distancias a la estructura consideradas, denominadas h=1, la barrera oblicua más cercana a la estructura y h=2 a la más alejada a la estructura.

Velocidades locales - Modelo con barreras oblicuas Vref.= 17,6 m/s

Serie1 Modelo aislado 60º

Serie2 H=2 h=2

Serie3 H=2 h=1

Serie4 H=1 h=2

Serie5 H= 1 h=1

0.00

5.00

10.00

15.00

20.00

25.00

30.00

0 1 2 3 4 5 6 7 8

Sensor de velocidades locales

Vel

ocid

ades

Med

ias

[m/s

]

Serie1

Serie2Serie3

Serie4Serie5

Fig.14: Velocidades locales, medias y desvío estándar, para direcciones de viento incidente de 60º, altura de barrera de 1H y 2H, distancia h=1 y h=2.

La configuración de barrera propuesta para la dirección de viento de 60º, evidencia una significativa disminución en las velocidades medias y desvío estándar en el área de interés; sin embargo, las alturas de barrera estudiadas no sugieren cambios significativos en su comportamiento. En consecuencia, se conviene en adoptar la altura de barrera de 1H, más adecuada y compatible con las dimensiones de la estructura principal. Este ensayo, es insuficiente para determinar su ubicación, considerando que para otras direcciones, por ejemplo 30 y 90 grados, eventualmente podría generar entre estructura y barreras contracciones de líneas de corriente, generándose altas velocidades o aceleraciones del escurrimiento. Por ello, se analizaron otras direcciones de viento, 0, 30, 60 y 90 grados. En estos últimos resultados, no se apreciaron diferencia aerodinámica relevantes para ambas distancias ensayas; en virtud de las condiciones de operación de la estación, esto

permite flexibilizar la ubicación de la barrera sin provocar dificultades en el tránsito de vehículos o personas alrededor de la estación.

10. VERIFICACIÓN DEL ESTADO DE CARGAS SOBRE LA ESTRUCTURA MEDIANTE ANÁLISIS DE COEFICIENTES LOCALES DE PRESIÓN

Para verificar el estado de carga debido al viento de la estructura no varíe significativamente respecto al considerado durante el diseño de la estructura, se determinaron coeficientes de presión local. Este ensayo se realiza, principalmente para verificar la cubierta en la zona de carga de combustible, que por su aspecto aerodinámico y ser una estructura liviana y de baja rigidez, es propensa, ante ligeros cambios en el campo de velocidades, generar estados de cargas distintas.

El coeficiente de presión exterior está definido por:

ref

eq

pec

∆= (1)

siendo: ep∆ : diferencia de presión estática exterior entre el punto de medición y la presión estática de referencia (cámara de ensayos) y refq : presión dinámica medida a la altura de referencia.

La presión estática de referencia, medida en el Pitot –Prandtl, dentro de la cámara de ensayo del túnel de viento; en tanto, la presión dinámica de referencia, medida por un Pitot –Prandtl a la altura de referencia, altura del alero de la estación, representativa en escala natural a 4,55 metros.

Por ser la barrera oblicua, la más adecuada para mejorar las condiciones de operación de la playa de operaciones de la estación, diminuyendo las velocidades y los efectos aerodinámicos no deseados, se verificó para esta configuración las alteraciones en el estado de carga, respecto al modelo aislado. En figura 15 se muestran los coeficientes de presión para las direcciones de viento medio de 60 grados, con modelo aislado (Serie 1) y con barrera oblicua (Serie 2).

En consecuencia, a fin de mejorar las condiciones de operabilidad de playa y tránsito de personas en la estación ACA de Paso Jama, este estudio sugiere adoptar una barrera de una altura de H= 4,55 metros, longitud de 55 metros, permeabilidad de 15 % posicionada como se observa en figura 16.

Coeficientes de presión - Modelo con barrera oblicu a Vref.= 15,6 m/sDirección de viento 60º

-1.50

-1.00

-0.50

0.00

0.50

1.00

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 44 46 48 50 52 54 56 58 60 62 64 66 68 70 72 74 76 78 80 82

Tomas de presión

Coe

ficie

ntes

de

pres

ion,

Ce

Serie1

Serie2

Fig. 15: Presiones locales sobre paredes y techos de la estructura de la Estación de Paso Jama, con modelo aislado y con barreras oblicuas para direcciones de viento

de 60°.

Fig. 16: Emplazamiento final y dimensiones de la de las barreras cortavientos

sugeridas por este estudio.

11. CRITERIOS PARA EVALUAR LAS CONDICIONES DE VIENTO A NIVEL DE PEATONES. Los criterios utilizados en este trabajo para evaluar las condiciones aceptables de viento a nivel de peatones se basan en la escala de Beaufort. Estos criterios expresan límites de velocidades de viento a nivel de peatones, promediadas en una hora o ráfagas en tres segundos. Estos límites no pueden ser superados en las condiciones reales de construcción, para que las actividades previstas en la etapa de diseño en función del destino de la construcción, puedan desarrollarse sin poner en peligro la integridad o provocar efectos que perturben el confort de las personas intervinientes [14]. Inicialmente Beaufort definió trece zonas, numeradas de 0 a 12. Cada zona corresponde a ciertos efectos del viento sobre las ondas del mar y el barco. Al ser

adaptadas para ser aplicado sobre la tierra, inicialmente se consideraron los efectos sobre obstáculos colocados por la naturaleza y los provenientes de la construcción en tierra. Posteriormente esta aplicación se amplió al incluir la descripción relacionada con el efecto de confort de las personas. Prestigiosos investigadores resumieron en tablas los límites que no deben superarse para que los efectos sobre las personas descriptos en cada nivel no sean superados. En este trabajo las velocidades medias horarias medidas en el túnel de viento serán transformadas en velocidad de proyecto promediadas en 3 s variando el período de retorno utilizando el Reglamento CIRSOC 102 Acción del Viento sobre las Construcciones, Edición 1994. Estas velocidades se utilizarán para comparar con dos criterios: el primero se relaciona con el número de Beaufort a distintos períodos de recurrencia (Tabla 1) y el segundo con velocidades promediadas en tres segundos (Tabla 2). En Tabla 2 solamente se transcribieron los efectos provocados por el viento que se relacionan con este trabajo. Para obtener las velocidades de proyecto promediadas en 3 s a 2 m de altura a las velocidades de referencia a 10 m de la Tabla 2 se las multiplica por 0,80 (80% del valor) (Tabla 1.a). Tabla 1: Unidades equivalente a número de Beaufort. Temperatura > 10º C.

Nivel de Confort Relativo Actividad Local

Perceptible Tolerable Desconfortable Peligroso Caminando rápidamente

Paseos públicos 5 6 7 8

Practicando deportes

Parques 4 5 6 8

Parado, sentado (corta exposición)

Parques y plazas 3 4 5 8

Parado, sentado (larga exposición)

Restaurante al aire libre 2 3 4 8

Criterio para la aceptación

< 1 ocurr./semana

< 1 ocurrencia/mes

< 1 ocurr./año

Tabla 1.a: Velocidades de proyecto promediadas en 3s a diez y dos metros, relacionadas con el número de Beaufort extraídas de Tabla 2.

Nº Beaufort V (m/s) a 10 m V (m/s) a 2m 0 < 0,5 < 0,4 1 0,5 – 2,3 0,4 - 1,8 2 2,3 – 4,8 1,8 - 3,8 3 4,8 – 7,8 3,8 - 6,2 4 7,8 – 11,6 6,2 - 9,3 5 11,6 – 15,5 9,3 - 12,4 6 15,5 – 20,0 12,4 - 16,0 7 20,0 – 24,8 16,0 - 19,8 8 24,8 – 30,0 19,8 - 24,0 9 30,0 – 35,5 24,0 - 28,4 10 35,5 – 41,2 28,4 - 33,0

Tabla 2: Escala de Beaufort en velocidades.

)1(min10 )10( mV Efectos en Número

de Beaufort

Designación

Km/h m/s Naturaleza y construcción Personas

0 Calma < 1 (< 1,5) < 0,3 (< 0,5) Humo se eleva verticalmente. No se nota el viento

1 Ventilación 1 – 6

(1,5 – 8,7) 0,3 – 1,6

(0,5 – 2,3) Humo se inclina en dirección y sentido del viento

No se nota el viento

2 Brisa 6 – 12

(8,7 – 17,4) 1,6 – 3,3

(2,3 – 4,8) Hojas se agitan suavemente. El viento se siente en la cara.

3 Viento suave

12 – 20 (17,4 – 29)

3,3 – 5,4 (4,8 – 7,8)

Hojas, ramas finas y arbustos pequeños en movimiento constante.

Ropas livianas se agitan. Dificultad para leer diarios.

4 Viento

moderado 20 – 29

(29 – 42) 5,4 – 8,0

(7,8 – 11,6) Hojas, ramas finas y arbustos pequeños en movimientos agitados.

El cabello es completamente despeinado.

5 Viento regular

29 – 39 (42 – 56)

8,0 – 10,7 (11,6 – 15,5) Ramas mayores y árboles pequeños oscilan.

La fuerza del viento es sentida en el cuerpo. Perturbación leve al caminar.

6 Viento fuerte

39 – 50 (56 – 72)

10,7 – 13,8 (15,5 – 20,0)

Arbustos grandes en movimiento. Dificultad para caminar firmemente y usar paraguas.

7 Ráfaga

débil 50 – 62

(72 – 89) 13,8 – 17,1

(20,0 – 24,8) Árboles enteros en movimiento. Daños en cubiertas mal construidas.

Difícil caminar contra el viento. Se escucha el suave gemido del viento.

8 Ráfaga

moderada 62 – 75

(89 – 108) 17,1 – 20,7

(24,8 – 30,0) Árboles débiles se quiebran. Troncos de árboles esbeltos oscilan.

Difícil lograr el equilibrio con ráfaga fuerte. Aumenta el gemido del viento.

9 Ráfaga fuerte

75 – 88 (108 – 128)

20,7 – 24,5 (30,0 – 35,5)

Cubierta aislada sufren daños que pueden llegar a tumbarlas, incluyendo sus columnas.

Personas pueden ser tiradas al suelo por las ráfagas

10 Vendaval 88 – 102

(128 –148) 24,5 – 28,4

(35,5 – 41,2) Torres de líneas de transmisión dañadas o arrancadas de sus bases.

Personas pueden ser arrastradas.

11

Tormenta 102 – 120 (148 – 174)

28,4 – 33,3 (41,2 – 48,3)

Construcciones de mampostería y pabellones industriales pueden ser totalmente destruidos.

12 Huracán,

tifón > 120

(> 174) > 33,3

(> 48,3) Extremadamente violento y devastador, con daños aún mas importantes que los provocados por una tormenta.

(1) En paréntesis velocidades de ráfagas máximas promediadas en 3 segundos

Las Tablas 3.1 y 3.2 muestran los números de Beafourt y las tablas 4.1 y 4.2 las velocidades de proyecto promediadas en 3 s para 2 m obtenidos para modelo aislado y con barreras para distintos períodos de recurrencia respectivamente. Tabla 3.1.a: Período de recurrencia anual, modelo aislado, velocidades de proyecto en 3 s, a 2 m de altura.

Número de Beaufort Direcciones de Viento Incidente

Sensor

0 30 60 90 135 180 225 1 4,8 4,3 8,7 7,1 5,3 5,0 7,1 3 4,6 4,1 7,1 6,6 5,5 5,2 5,8 4 4,2 4,8 6,8 6,8 5,2 4,7 6,0 5 4,4 4,9 6,5 6,2 5,6 5,5 6,0 6 3,4 3,5 9,1 6,8 5,8 4,9 5,9 7 3,7 3,8 9,7 7,8 8,5 4,1 3,9

Tabla 3.1.b: Período de recurrencia mensual, modelo aislado, velocidades de proyecto en 3 s, a 2 m de altura.


Sensor

0 30 60 90 135 180 225 1 3,8 3,4 6,9 5,6 4,2 4,0 5,6 3 3,7 3,3 5,6 5,2 4,4 4,2 4,6 4 3,3 3,8 5,4 5,4 4,1 3,8 4,8 5 3,5 3,9 5,2 4,9 4,4 4,4 4,8 6 2,7 2,8 7,2 5,4 4,6 3,9 4,7 7 2,9 3,0 7,7 6,2 6,8 3,3 3,1

Tabla 3.1.c: Período de recurrencia semanal, modelo aislado, velocidades de proyecto en 3 s, a 2 m de altura.


Sensor

0 30 60 90 135 180 225 1 3,3 3,0 6,0 4,9 3,7 3,5 4,9 3 3,2 2,8 4,9 4,6 3,8 3,6 4,0 4 2,9 3,3 4,7 4,7 3,6 3,3 4,1 5 3,0 3,4 4,5 4,3 3,8 3,8 4,1 6 2,3 2,4 6,3 4,7 4,0 3,4 4,1 7 2,6 2,6 6,7 5,4 5,9 2,9 2,7

Tabla 3.2.a: Período de recurrencia anual, modelo con barrera cortaviento, velocidades de proyecto en 3 s, a 2 m de altura.


Sensor

0 30 60 90 1 4,9 4,0 3,8 5,6 3 4,4 3,7 3,3 6,4 4 3,9 4,2 3,8 6,7 5 4,1 4,2 3,7 6,1 6 3,3 3,3 3,9 6,1 7 3,2 3,1 3,2 6,8

Tabla 3.2.b: Período de recurrencia mensual, modelo con barrera cortaviento, velocidades de proyecto en 3 s, a 2 m de altura.


Sensor

0 30 60 90 1 3,9 3,2 3,0 4,4 3 3,5 2,9 2,6 5,1 4 3,1 3,3 3,1 5,3 5 3,3 3,4 2,9 4,9 6 2,6 2,6 3,1 4,9 7 2,5 2,4 2,5 5,4

Tabla 3.2.c: Período de recurrencia semanal, modelo con barrera cortaviento, velocidades de proyecto en 3 s, a 2 m de altura.


Sensor

0 30 60 90 1 3,4 2,8 2,6 3,8 3 3,1 2,5 2,3 4,4 4 2,7 2,9 2,7 4,6 5 2,9 2,9 2,5 4,3 6 2,3 2,3 2,7 4,2 7 2,2 2,1 2,2 4,7

Tabla 4.1.a: Período de recurrencia anual, modelo aislado, velocidades de proyecto promediadas en 3 s (m/s), a 2 m de altura.

Velocidades (m/s) promediadas en 3 s Direcciones de Viento Incidente

Sensor

0 30 60 90 135 180 225 1 12,75 10,91 31,14 22,86 14,83 13,64 22,79 3 12,03 10,09 22,97 20,59 15,67 14,54 16,88 4 10,34 12,60 21,52 21,69 14,43 12,51 17,80 5 11,18 13,24 20,20 18,72 15,90 15,77 17,81 6 7,54 7,86 33,01 21,61 16,91 13,33 17,38 7 8,61 8,89 36,67 26,23 30,14 10,17 9,50

Tabla 4.1.b: Período de recurrencia mensual, modelo aislado, velocidades de proyecto promediadas en 3 s (m/s), a 2 m de altura.


Sensor

0 30 60 90 135 180 225 1 9,01 7,71 21,99 16,14 10,47 9,63 16,09 3 8,50 7,12 16,22 14,54 11,06 10,27 11,92 4 7,30 8,90 15,19 15,32 10,19 8,84 12,57 5 7,90 9,35 14,27 13,22 11,23 11,13 12,58 6 5,32 5,55 23,31 15,26 11,94 9,41 12,27 7 6,08 6,28 25,89 18,52 21,28 7,18 6,71

Tabla 4.1.c: Período de recurrencia semanal, modelo aislado, velocidades de proyecto promediadas en 3 s (m/s), a 2 m de altura.


Sensor

0 30 60 90 135 180 225 1 7,33 6,27 17,91 13,14 8,53 7,85 13,10 3 6,92 5,80 13,21 11,84 9,01 8,36 9,71

4 5,94 7,24 12,37 12,47 8,30 7,20 10,23 5 6,43 7,61 11,62 10,76 9,14 9,07 10,24 6 4,34 4,52 18,98 12,43 9,72 7,66 9,99 7 4,95 5,11 21,08 15,08 17,33 5,85 5,46

Tabla 4.2.a: Período de recurrencia anual, modelo con barrera cortaviento, velocidades de proyecto promediadas en 3 s (m/s), a 2 m de altura.


Sensor

0 30 60 90 1 13,11 9,81 8,82 15,91 3 11,24 8,49 7,34 19,59 4 9,42 10,38 9,14 21,07 5 10,18 10,57 8,53 18,47 6 7,12 7,27 9,27 18,34 7 6,89 6,50 6,89 21,68

Tabla 4.2.b: Período de recurrencia mensual, modelo con barrera cortaviento, velocidades de proyecto promediadas en 3 s (m/s), a 2 m de altura.


Sensor

0 30 60 90 1 9,26 6,93 6,23 11,23 3 7,94 5,99 5,18 13,83 4 6,65 7,33 6,45 14,88 5 7,19 7,46 6,02 13,04 6 5,03 5,14 6,55 12,95 7 4,87 4,59 4,87 15,31

Tabla 4.2.c: Período de recurrencia semanal, modelo con barrera cortaviento, velocidades de proyecto promediadas en 3 s (m/s), a 2 m de altura.


Sensor

0 30 60 90 1 7,54 5,64 5,07 9,15 3 6,47 4,88 4,22 11,26 4 5,42 5,97 5,26 12,12 5 5,85 6,08 4,90 10,62 6 4,09 4,18 5,33 10,54 7 3,96 3,74 3,96 12,47

12. CONSIDERACIONES FINALES

Este trabajo presenta los resultados del estudio de los efectos del viento sobre la de la Estación ACA de Paso Jama, provincia de Jujuy, con modelos reducidos en ensayos de túnel de viento.

De estos, se obtiene las configuraciones del escurrimiento en torno al modelo aislado con ensayos cualitativos de visualización, erosión eólica controlada y elementos direccionales, que permitieron definir las áreas críticas de la estación donde se producen altas velocidades y efectos localizados de remolinos. En estas áreas, se emplazaron sensores de medición de velocidades locales, que permitieron cuantificar acciones locales y globales provocadas por el viento. Desde el punto de vista de las acciones localizadas, la dirección de viento más desfavorable es 60º,

modelo aislado, con velocidades locales a nivel de peatón (sensor 7) que superan dos veces la velocidad en flujo no perturbado (velocidad de referencia), a la altura del alero; en tanto que, en el área de operación, existe una rango de variación de velocidad local que van de 9 m/s (sensor 2) a 25 m/ (sensor 7) aproximadamente.

Para reducir los efectos de esas velocidades locales y de perturbación se analizaron configuraciones de barreras cortavientos, tamaño, altura, grado de permeabilidad y ubicación respecto a la estación, evaluando su desempeño en función de las velocidades locales y del estado de carga provocado respecto al medido considerando el modelo aislado (diseño original de la estructura existente).

Es importante mencionar que, normalmente, este tipo de sensor de velocidades locales a nivel de peatones no es usado para analizar fluctuaciones de velocidad, puesto que capta variaciones asociadas a la componente vertical que pueden sobrestimar los valores de desviación estándar medidos.

Por último se verificó las condiciones de confort en el área de trabajo siguiendo las pautas establecidas por Beaufort. Al adicionar la barrera el área de maniobra cumple las exigencias establecidas por estos procedimientos.

Agradecimientos

El Laboratorio de Aerodinámica de la Facultad de Ingeniería, UNNE, agradece la inestimable contribución de la empresa Kenny Risso S. A., sin cuyos aporte y sugerencias este trabajo resultaría incompleto.

Referencias

[1] Murakami, S. [1982], “Wind tunnel modelling applied to pedestrian comfort”, Wind tunnel modelling for civil engineering applications, Ed. by T. Reinhold, Cambridge Univ. Press, pp.486-503.

[2] Mario Eduardo De Bortoli, Jorge Omar Marighetti, Adrián Roberto Wittwer, “Descripción de la metodología para el análisis de problemas de confort en túnel de viento”, Anales de XX Jornadas Argentinas de Ingeniería Estructural, Buenos Aires, Argentina, 2008.

[3] Acir Mércio Loredo-Souza, Edith Beatriz Camaño Schettini, Marcelo Maia Rocha, “Determinação da Influência do Escoamento e das Características das Telas de Proteção para o Conjunto de Pilhas de Estocagem que Formam o Pátio de Carvão da CVRD em Tubarão”. Laboratório de Aerodinâmica das Construções, UFRGS, 2004.

[4] Irwin, P. [1982], “Instrumentation considerations for velocity measurements”, Wind tunnel modeling for civil engineering applications, Ed. by T. Reinhold, Cambridge Univ. Press, pp.546- 557.

[5] Meseguer, J; Sanz, A.; Perales, J. M.; Pindado, S. “Aerodinámica Civil”. Editorial McGraw-Hill, 2001.

[6] A. R. Wittwer, S. V. Möller, “Characteristics of the low speed wind tunnel of the UNNE”, J. Wind Eng. Ind. Aerodyn., 84 (3) (2000) pp. 307-320.

[7] N. J. Cook, “Simulation techniques for short test-section wind tunnels: roughness, barrier and mixing-device methods”, Wind tunnel Modeling for Civil Engineering Applications, pp. 126-136.

[8] H. P. A. H. Irwin, “The design of spires for wind simulation”, J. Wind Eng. Ind. Aerodin.,7, pp. 361-366, 1981.

[9] Centro de Investigación de los Reglamentos Nacionales de Seguridad para las Obras Civiles, Reglamento CIRSOC 102: “Acción del Viento sobre las Construcciones”, INTI, Bs. As., Diciembre de 1984.

[10] N. J. Cook, “The designer's guide to wind loading of building structures”, Building Research Establishment Report, Part 2: Static Structures, Butterworths, London,1990.

[11] M. De Bortoli, B. Natalini, M. J. Paluch, M. B. Natalini, Part-Depth Wind Tunnnel Simulations of the Atmospheric Boundary Layer, J. Wind Eng. Ind. Aerodyn., 90 (2002) pp. 281-291.

[12] J. Blessmann, “Aerodinâmica das Construções”, Editora da Universidade, Universidade Federal de Rio Grande do Sul, Porto Alegre, RS, Brasil, 1990.

[13] “Programa para cálculo de coeficientes de pico mediante análisis de valores extremos”, Oscar Canavesio, Bruno Natalini, Mario De Bortoli, Mario Natalini. Ingeniería 2000, XVI Jornadas Argentina de Ingeniería Estructural. País: Argentina. Septiembre 2000. (Publicado en CD).

[14] Blessmann, J. (2000) “A escala Beaufort”. Jubileo 2000. Jornadas Sudamericanas de Ingenieria Estructural. Punta del Este, Uruguay.

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