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Resumen: T-010

Análisis de mediciones in situ de las acciones del viento sobre una cubierta curva aislada.

Morel, Claudia A. - Natalini, Mario B.

Instituto de Estabilidad - Facultad de Ingeniería - UNNE. Av. Las Heras 727 - (3500) Resistencia - Chaco - Argentina. Tel./Fax: +54 (03722) 425064 E-mail: estabilidad@ing.unne.edu.ar

ANTECEDENTES

Las cubiertas curvas aisladas son un tipo de construcción muy común en Argentina. Estructuras livianas, aisladas y bajas, son sensibles a la acción del viento, presentan la necesidad de disponer de coeficientes aerodinámicos de diseño confiables. Ante la falta de mediciones realizadas a escala natural [4], acorde al actual estado del arte, el Laboratorio de Aerodinámica de las Construcciones de la Facultad de Ingeniería de la UNNE emprendió un programa de investigación, para la realización y sistematización de mediciones a escala natural (in situ) de coeficientes de presión media sobre este tipo de cubiertas. El resultado de este proyecto será utilizado en la validación de ensayos realizados en túnel de viento y serán sugeridos para la inclusión en la norma Argentina de viento Cirsoc 102 [4] El presente trabajo tiene como fin mostrar la configuración para la medición de presiones efectivas sobre un prototipo de cubierta curva aislada, así como también exponer algunos de los resultados obtenidos experimentalmente. Se presentan el desarrollo del sistema para el cálculo de las presiones efectivas externas y el diseño de las técnicas utilizadas a escala natural, como paso previo a las mediciones sistematizadas de cubiertas curvas. Continuando con un trabajo anterior [13], en el presente informe se exponen las conclusiones preliminares de la investigación.

MATERIALES Y METODOS

El prototipo de cubierta, aislada, baja y curva, utilizada para efectuar los ensayos es el predio ubicado en el Campus Deportivo de la UNNE, en Resistencia, Chaco, sobre Av. Castelli al 1300. La estructura es una cubierta curva de chapa metálica abierta de 7,5 metros de altura de cumbrera, con 16 columnas de 0,40 x 0,40 metros de sección transversal y 20 metros de ancho por 35 metros de profundidad. Según las normas CIRSOC 102 [4], la rugosidad del terreno del sitio es del tipo III, suburbano. Su disposición general puede observarse en la Figura 1. El sitio recibe la influencia de los vientos predominantes de la zona en su ángulo NE y E, mientras que los vientos de dirección S son afectados por la presencia del galpón lindante[13].

Fig. 1: Vista lateral (NO) del prototipo en el Campus deportivo de la UNNE Parte del equipamiento utilizado para efectuar las primeras pruebas, se muestra en la Fig. 2, en su ubicación en el terreno.

Fig. 2: Disposición del Instrumental de Medición

en el sitio.

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Resumen: T-010

Para medir la presión ejercida por el viento se utilizó el siguiente instrumental: Transductores de presión diferencial Micro Switch Honeywell 163 PC 01D36 Multímetro digital Keithley modelo 2000 Tubos de PVC de 5 mm de diámetro interno y de 30 metros de longitud Fuente de alimentación de CC regulable Kenwood PA 36-1.2 Micromanómetro de Betz Van Essen bv Type 2000. Anemómetro de copa, marca Siap, resolución de 0,1 m/s. En la figura 3 se muestra la disposición del anemómetro de copa, la veleta y la sonda que transmite la presión estática de referencia:

Fig. 3: Disposición del anemómetro, veleta y sonda para presión estática de referencia

Las mangueras de PVC, que conectaban las tomas de presión sobre la cubierta y el transductor, fueron evaluadas para determinar el grado de distorsión dinámica de la señal de presión que transmiten [,5,6,7]. La salida de los transductores, en voltios, fue leída manualmente con el multímetro y con el Micromanómetro de Betz para su comparación.

Presión estática de referencia

Tubo de PVC (30 m)

Fuente de 8 V

Prototipo

Transductor de presión

Tubo de PVC (30 m)Anemómetro

Sonda

Multímetro

Figura 4. Esquema de una de las disposiciones de instrumental adoptada para mediciones in situ. En la figura 4 puede observarse la disposición esquemática de los instrumentos para mediciones in situ. En ella puede apreciarse que el transductor de presión recibe las señales de presión del flujo de aire de dos sondas: una que transmite la presión estática de referencia y la otra que transmite la presión total. La figura 5 muestra la disposición sobre el techo de la sonda conectada al tubo de PVC que recibe la acción del viento sobre la cubierta y la transmite al transductor de presión [8,9,10]. Dicha sonda, fabricada con aleación de Aluminio H30W P [5], es una donación del Dr. R. P. Hoxey, director del grupo de Investigación de Ingeniería Ambiental del Instituto Silsoe, en Silsoe, Inglaterra. El transductor, es alimentado a través de una fuente de 8 V. A su vez, la señal generada por el transductor es leída por medio de un multímetro. La señal, leída en voltaje, es llevada a Pa, a través del proceso de calibración que se efectúa antes del montaje del instrumental in situ, con el micromanómetro de Betz Van Essen. Mediante el uso del transductor se obtiene el valor de ∆pe (presión estática efectiva externa).

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Resumen: T-010

El anemómetro, que se encuentra montado junto con la sonda que lee la presión estática de referencia, permite obtener el valor de la velocidad del viento, a la altura de la toma de presión sobre el prototipo. La velocidad del viento, medida en m/s, nos permite obtener la presión dinámica de referencia a través de la fórmula:

qref = 1,6

V2

donde qref es la presión dinámica de referencia y V es la velocidad del viento en m/s [1]. Obtenidos los valores de ∆p y de qref , se procede al cálculo de los coeficientes de presión efectiva externa a través de la expresión:

Cp = ref

e

q

Äp

Los valores de estos coeficientes, permiten caracterizar el comportamiento del flujo de aire sobre la estructura en estudio.

Figura 5. Sonda conectada al tubo de PVC colocado sobre la cubierta curva, que transmite la presión a los transductores (material donado por el Instituto Silsoe, Inglaterra).

DISCUSION DE RESULTADOS

A través de la metodología expuesta en el punto anterior se obtuvieron valores de los coeficientes de presión exterior de los siguientes puntos, que se muestran en la figura 6:

35 m

2

10 m

20 m

8,75 m

17,5 m

1

5 m

4 5 6 3

Figura 6. Ubicación de las tomas de presión sobre el prototipo de cubierta curva aislada.

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Resumen: T-010

Las mediciones dieron como resultado, algunos de los siguientes valores de coeficientes de presión efectiva exterior, que se muestran en la tabla 1:

Viento incidente:

S-SE Viento

incidente: E Toma Cp Cp

1 -1,18 2 -1,38 -0,29 3 -0,17 4 0,59 5 0,36 6 0,23

Tabla 1: Valores de Coeficientes de presión efectiva externa

Estos valores de coeficientes de presión externa, deberán ser comparados con los que se obtengan de mediciones a escala sobre modelos del mismo tipo de estructura, ensayados en túnel de viento. Puede observarse en los valores de Cp, una variación entre los dos valores correspondientes al punto 2. Es posible que las altas succiones en las tomas 1 y 2 se deban a la interferencia provocada por el hangar que linda con el prototipo. Dichos efectos están siendo estudiados y evaluados.

CONCLUSIONES

Lo resultados de los ensayos tienen como fin caracterizar la distribución de presiones efectivas sobre un prototipo de cubierta curva aislada. Esto requiere de una vasta cantidad de ensayos in situ, efectuados, en la medida de lo posible, cuando se producen máximas velocidades del viento natural. Debido a la naturaleza cambiante del mismo, los ensayos se adaptan a estas divergencias. Con el mismo criterio se realizará el análisis final de los resultados. La verdadera utilidad de los coeficientes que se obtengan, provienen de la comparación con los modelos a escala, que se efectúen con el mismo modelo. Dichos ensayos se están llevando a cabo, en el túnel de viento J.P. Gorecki, del Instituto de Estabilidad de la Facultad de Ingeniería de la UNNE [14].

BIBLIOGRAFIA

1. Blessmann, J. Aerodinâmica das Construçoes. 2ª ed. Porto Alegre, Ed. Sagra, 1990. 2. Cook, N. J. The designer's guide to wind loading of building structures. Londres, (Building Research

Establishment report) The University Press, vol. 1y 2, Cambridge, 1985. 3. A. P. Robertson, P. Moran. Wind Loads on a Dutch Barn. J. agric. Engng. Res., 1984 29, 207-213. 4. CIRSOC 102 Tomo 1 Proyecto de Reglamento CIRSOC 102 – Acción del Viento sobre las Construcciones.

Julio 1980. 5. P. Moran, R. P. Hoxey. A probe for sensing static pressure in two-dimensional flow. J. Phys. E, 12 (1979)

752-753. 6. P. Moran, P. R. Pollard. Wind loads on farm buildings: (2) Instrumentation for Full Scale measurements on

agricultural and horticultural buildings. Dept. Note DN/G/932/04024,National Institute of Agricultural Engineering, Silsoe, UK, 1979, unpublished.

7. R.P. Hoxey. System response of wind loading instrumentation. Dept. Note DN/G/ 307/2301. National Institute of Agricultural Engineering, Silsoe, UK, 1973, unpublished.

8. R. P. Hoxey, D. A. Wells, A method of calibrating a static pressure sensing head under natural wind conditions, Dept. Note DN/G/826/04014, National Institute of Agricultural Engineering, Silsoe, UK, 1977, unpublished.

9. R.P. Hoxey and P. Moran, A full-scale study of the geometric parameters that influence wind loads on tow rise structures, J. Wind Eng. Ind. Aerodyn., 13 (1983) 277-288.

10. P. Moran, Full-scale experiments to acquire wind loading data for use in the design of agricultural buildings, J. Agric. Eng. Res., 25 (1980) 287-297.

11. A. P. Robertson. Design Wind Loads for Ridged Canopy Roof Structures. J. Wind Eng. Ind. Aerodyn., 24 (1986) 185-192.

12. A. P. Robertson, P. Moran. Comparisons of Full-Scale and Wind-Tunnel Measurements of Wind Loads on a Free-Standing Canopy Roof Structure. J. Wind Eng. Ind. Aerodyn., 23 (1986) 113-125.

13. Natalini Mario B. – Paluch Mario J. – Morel Claudia A. Diseño de sistema de mediciones in situ de las acciones del viento en cubiertas curvas aisladas. Reunión de Comunicaciones Científicas y Tecnológicas 2002. Secretaría de Ciencia y Técnica, UNNE. (027)

14. A. R. Wittwer, S. V. Möller “ Characteristics of the low speed wind tunnel of the UNNE”, Translation of the Jubileum Conference on Wind Effects on Buildings and Structures, Gramado, Brazil, May 25- 29, 1998, Part II, pp. 14-21.