Determinación de coeficientes aerodinámicos de tenso-estructuras aplicando dinámica de fluidos computacional

Abstract

En la presente Tesis Doctoral, se estudia el comportamiento de tenso-estructuras ante acciones de viento considerando geometrías básicas mediante estudios en túnel de viento y Dinámica de Fluidos Computacional. Debido a las características geométricas tan particulares, se carece hasta el momento de recomendaciones suficientes, las cuales permitan diseñar tales estructuras de manera racional. Existen diversas razones que dificultan el estudio experimental, como los problemas de escala y de instrumentación. En la presente investigación, se seleccionan geometrías básicas, a partir de las cuales, se pueden obtener diversas configuraciones de cubiertas que se presentan en la práctica profesional. A partir de estudios en túnel de humo, se logra identificar tres modos de separación de flujo generados en la compleja interacción viento-estructura, los cuales explican cuantitativamente la distribución de los coeficientes de presión obtenidos. Se selecciona la forma llamada “silla de montar” generada a partir de arcos circulares y se hace variar el radio de curvatura principal para estudiar su relación con las acciones de viento. Los resultados muestran que, para valores de curvatura gaussiana cercanas a cero se presentan cambios repentinos en los coeficientes de presión y al incrementar el radio de curvatura en la dirección del viento, aumentan a su vez los coeficientes locales de presión. Se observa también que, debido a que la cubierta en estudio se encuentra fijada al suelo, los efectos predominantes son succiones hacia el piso del tunel. Del estudio de la incidencia del viento a 0° y 90°, se observa que, cuando el viento actúa normal al radio principal de la cubierta, el efecto predominante es la succión producida en el centro de la cubierta. Se estudia otro caso, en el que se conserva la curvatura de la superficie y se hace un corte en planta; el corte elíptico disminuye los coeficientes de presión sobre la cubierta. Se estudia también un paraboloide hiperbólico variando la altura de un extremo donde incide el viento, observándose que cuando la cubierta está suspendida en un punto alto, la cubierta es succionada en la dirección del viento. En el mismo caso, también se identifica el punto de estancamiento de manera numérica y experimental basado en estudios de túnel de humo. Otro estudio consiste en una cubierta cónica de base circular considerando variable la altura de la base de la cubierta al anillo superior de la cubierta para tres casos. Se observa que la presencia del anillo ocasiona cambio repentino en los coeficientes de presión cerca del centro de la cubierta, lo que conduce a que la cubierta sea levantada. Se concluye que, para valores grandes de H, las succiones en la cubierta disminuyen, presentándose los valores más altos a medida que la altura H es mínima.

In the present thesis, we study the behavior of tensile-structures under wind action by considering basic geometry studies in wind tunnel and computational fluid dynamics. Due to the particular geometrical characteristics, there are not enough recommendations, which allow us to designing such structures in a rational manner. There are several reasons that hinder the experimental study, such as problems of scale and instrumentation. In this research, basic geometries shapes are selected, from which can be obtained covers with various configurations that occur in practice. From studies in smoke tunnel, it is possible to identify three different models of flow separation, generated on the complex wind-structure interaction, which explains the quantitative distribution of the pressure coefficients obtained. It is selected the form called "saddle" which is generated from circular arcs and varying the main curvature radius to study its relation to the wind actions. The results show that for values close to Gaussian curvature zero are sudden changes in the pressure coefficients and increase the curvature radius in the wind direction, it is increased the local pressure coefficients. It is also noted that because of the over under in study it is fixed to the ground, the predominant effects are suction towards the tunnel floor. Study of the wind effects at 0 ° and 90 °, it is observed that, when the wind acts normal to the main radius, the predominant effect is the suction produced in the center of the cover. It is examines another case in which preserves the surface curvature and makes a cut in plan, the elliptical cut decreases the pressure coefficients on the cover. It is also studied a hyperbolic parabolic also varying the height of one end where the wind attack, noting that when the cover is suspended in a high point, the cover is sucked in the wind direction. In the same case, also it is identified the stagnation point in numerical and experimental studies based on smoke tunnel. Another study consists of conical cover considering varying the height between the base and the top of the cover for three cases. It was observe that the presence of the ring causes sudden change in pressure coefficients near to the center of the cover, which leads to that the cover is lifted. We conclude that for large values of H, the suction on the roof down, presenting the highest values as the height H is minimal.