OSORIO et al 2018a - Revision history

Rimni: /* 5. Análisis de resultados */

2021-06-15T14:16:32Z

‎5. Análisis de resultados

Rimni at 14:15, 15 June 2021

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Rimni at 14:11, 15 June 2021

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Rimni at 14:08, 15 June 2021

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Rimni: /* 4.3.1 Dominio del modelo numérico */

2021-06-15T14:08:06Z

‎4.3.1 Dominio del modelo numérico

Rimni: /* 4.2 Parámetros aerodinámicos */

2021-06-15T14:06:29Z

‎4.2 Parámetros aerodinámicos

Rimni at 14:12, 11 June 2021

2021-06-11T14:12:24Z

Rimni at 14:11, 11 June 2021

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MARTHA-ELENA-DELGADO-OSORIO at 15:00, 23 April 2019

2019-04-23T15:00:40Z

Rimni at 12:09, 23 April 2019

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 Se realizaron un total de 105 simulaciones con CFD y se obtuvieron las velocidades y presiones alrededor de las estructuras. En las siguientes figuras se muestran los resultados de velocidades y presiones alrededor de dos estructuras representativas.  En la [[#img-6|Figura 6]], se muestran algunos de los perfiles de velocidad media para los dos siguientes casos: a) una estructura de 7.25 m de altura con cubierta a dos aguas con la dirección del flujo paralelo a la cumbrera, y el viento con velocidad de 28 m/s y con dirección paralelo a la cumbrera, y b) una estructura de 6.00 m de altura con cubierta plana, y la velocidad de viento de 28 m/s. En el caso de la cubierta a dos aguas, el flujo de viento se separa desde el borde anterior de la cubierta, formando una zona de recirculación sobre la cubierta que se extiende hasta la zona a sotavento. Para el segundo caso, el flujo de viento también se separa desde el borde a barlovento de la cubierta dibujando una zona de recirculación sobre toda la superficie de cubierta y aguas debajo de la estructura.
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 Adicionalmente, se muestran los contornos de velocidad y presión media alrededor de la estructura de cubierta plana en la [[#img-7|Figura 7]], y para la estructura con cubierta a dos aguas con el viento en dirección transversal y longitudinal en las [[#img-8|Figuras 8]] y [[#img-9|9]], respectivamente. Se puede observar regiones de recirculación aguas arriba y aguas abajo de cada modelo, así como el punto de estancamiento en la cara anterior a barlovento y cómo el flujo actuante sobre los dos tipos de cubierta se separa en los bordes a barlovento de la cubierta plana y también en el borde de la cumbrera para la cubierta de dos aguas.
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 Por último, con el flujo de viento en dirección transversal, es decir, perpendicular a la cumbrera, se evaluaron las diferencias entre el Método Analítico del código de diseño y el modelo numérico para todos los casos de estructura con cubierta inclinada ([[#img-14|Figura 14]]). En contraste con los resultados obtenidos anteriormente para estructuras bajas,  las presiones que se obtuvieron con el código de diseño fueron mayores a las que se lograron con el modelo numérico a lo largo de toda la cumbrera de la cubierta. Para las demás estructuras en la zona a barlovento, las diferencias fueron de un 50% y en la zona a sotavento entre el 25% y 90%, siendo mucho mayores las cargas del código de diseño.
 <div id='img-14'></div>
-{| style="text-align: center; border: 1px solid #BBB; margin: 1em auto; width: auto;max-width: auto;"
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 ==5. Análisis de resultados==
-Se realizaron un total de 105 simulaciones con CFD y se obtuvieron las velocidades y presiones alrededor de las estructuras. En las siguientes figuras se muestran los resultados de velocidades y presiones alrededor de dos estructuras representativas.  En la Figura 6, se muestran algunos de los perfiles de velocidad media para los dos siguientes casos: a) una estructura de 7.25 m de altura con cubierta a dos aguas con la dirección del flujo paralelo a la cumbrera, y el viento con velocidad de 28 m/s y con dirección paralelo a la cumbrera, y b) una estructura de 6.00 m de altura con cubierta plana, y la velocidad de viento de 28 m/s. En el caso de la cubierta a dos aguas, el flujo de viento se separa desde el borde anterior de la cubierta, formando una zona de recirculación sobre la cubierta que se extiende hasta la zona a sotavento. Para el segundo caso, el flujo de viento también se separa desde el borde a barlovento de la cubierta dibujando una zona de recirculación sobre toda la superficie de cubierta y aguas debajo de la estructura.
+Se realizaron un total de 105 simulaciones con CFD y se obtuvieron las velocidades y presiones alrededor de las estructuras. En las siguientes figuras se muestran los resultados de velocidades y presiones alrededor de dos estructuras representativas.  En la [[#img-6|Figura 6]], se muestran algunos de los perfiles de velocidad media para los dos siguientes casos: a) una estructura de 7.25 m de altura con cubierta a dos aguas con la dirección del flujo paralelo a la cumbrera, y el viento con velocidad de 28 m/s y con dirección paralelo a la cumbrera, y b) una estructura de 6.00 m de altura con cubierta plana, y la velocidad de viento de 28 m/s. En el caso de la cubierta a dos aguas, el flujo de viento se separa desde el borde anterior de la cubierta, formando una zona de recirculación sobre la cubierta que se extiende hasta la zona a sotavento. Para el segundo caso, el flujo de viento también se separa desde el borde a barlovento de la cubierta dibujando una zona de recirculación sobre toda la superficie de cubierta y aguas debajo de la estructura.
+<div id='img-6'></div>
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-Adicionalmente, se muestran los contornos de velocidad y presión media alrededor de la estructura de cubierta plana en la Figura 7, y para la estructura con cubierta a dos aguas con el viento en dirección transversal y longitudinal en las Figuras 8 y 9, respectivamente. Se puede observar regiones de recirculación aguas arriba y aguas abajo de cada modelo, así como el punto de estancamiento en la cara anterior a barlovento y cómo el flujo actuante sobre los dos tipos de cubierta se separa en los bordes a barlovento de la cubierta plana y también en el borde de la cumbrera para la cubierta de dos aguas.
+Adicionalmente, se muestran los contornos de velocidad y presión media alrededor de la estructura de cubierta plana en la [[#img-7|Figura 7]], y para la estructura con cubierta a dos aguas con el viento en dirección transversal y longitudinal en las [[#img-8|Figuras 8]] y [[#img-9|9]], respectivamente. Se puede observar regiones de recirculación aguas arriba y aguas abajo de cada modelo, así como el punto de estancamiento en la cara anterior a barlovento y cómo el flujo actuante sobre los dos tipos de cubierta se separa en los bordes a barlovento de la cubierta plana y también en el borde de la cumbrera para la cubierta de dos aguas.
+<div id='img-7'></div>
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+<div id='img-8'></div>
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+<div id='img-9'></div>
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-Para el caso de las estructuras con cubierta plana y alturas menores a 18 m, se calcularon las presiones sobre la cubierta usando el Método Simplificado de la NSR-10. En la Figura 10, para estas estructuras se presentan los valores de las presiones obtenidas con CFD, divididos por los respectivos valores de presión calculados con el Método Simplificado. Se obtuvo que la relación entre las presiones fue menor a uno a lo largo de la zona a barlovento para todos los casos de cubierta plana y las diferencias más altas, del 50% y 80%, se presentan para los casos de 18 m y 3m, respectivamente. Lo anterior indica que el Método Simplificado del código de diseño es conservador con respecto a las simulaciones con CFD, ya que da como resultado cargas significativamente altas. Sin embargo, para la estructura de 12 m de altura se observa que el Método Simplificado subestima hasta un 15%, con respecto a CFD, las presiones en los dos primeros metros a sotavento.
+Para el caso de las estructuras con cubierta plana y alturas menores a 18 m, se calcularon las presiones sobre la cubierta usando el Método Simplificado de la NSR-10. En la [[#img-10|Figura 10]], para estas estructuras se presentan los valores de las presiones obtenidas con CFD, divididos por los respectivos valores de presión calculados con el Método Simplificado. Se obtuvo que la relación entre las presiones fue menor a uno a lo largo de la zona a barlovento para todos los casos de cubierta plana y las diferencias más altas, del 50% y 80%, se presentan para los casos de 18 m y 3m, respectivamente. Lo anterior indica que el Método Simplificado del código de diseño es conservador con respecto a las simulaciones con CFD, ya que da como resultado cargas significativamente altas. Sin embargo, para la estructura de 12 m de altura se observa que el Método Simplificado subestima hasta un 15%, con respecto a CFD, las presiones en los dos primeros metros a sotavento.
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-Debido a que el Método Analítico puede ser usado para todas las estructuras consideradas en este trabajo, para cada configuración se dividieron las presiones obtenidas con CFD por los respectivos valores obtenidos con el Método Analítico. En la Figura 11 se muestran estas relaciones para los casos de las cubiertas planas. Para los edificios con alturas entre 12 y 36 m, se observa que, en general, el código es conservador con respecto a los resultados de CFD. En el caso de las cubiertas con alturas de 3 y 6 m, las simulaciones con CFD arrojaron presiones significativamente mayores que las del reglamento en la mayoría de la zona a barlovento y significativamente menores en la zona a sotavento.
+Debido a que el Método Analítico puede ser usado para todas las estructuras consideradas en este trabajo, para cada configuración se dividieron las presiones obtenidas con CFD por los respectivos valores obtenidos con el Método Analítico. En la [[#img-11|Figura 11]] se muestran estas relaciones para los casos de las cubiertas planas. Para los edificios con alturas entre 12 y 36 m, se observa que, en general, el código es conservador con respecto a los resultados de CFD. En el caso de las cubiertas con alturas de 3 y 6 m, las simulaciones con CFD arrojaron presiones significativamente mayores que las del reglamento en la mayoría de la zona a barlovento y significativamente menores en la zona a sotavento.
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-En las siguientes figuras se presentan los resultados obtenidos para cubiertas a dos aguas para diferentes alturas. En la Figura 12, se muestran los resultados para cubiertas de baja altura a dos aguas, entre 4.25 y 13.25 m. Se observa la relación entre el Método Simplificado y CFD con el flujo de viento en dirección longitudinal, es decir, paralelo a la cumbrera. Se obtuvo para la zona a barlovento, una diferencia entre 20% y 50% para las estructuras de 4.25 y 7.25 m de altura y para la cubierta con 13.25 m de alto, la diferencia fue de 50%. Para la zona a sotavento las estructuras de 4.25 y 7.25 m los valores del código de diseño están aproximadamente un 80% por encima del modelo numérico casi al borde de la estructura, igualmente que la estructura de 13.25 m de alto, pero con una diferencia máxima del 20%.
+En las siguientes figuras se presentan los resultados obtenidos para cubiertas a dos aguas para diferentes alturas. En la [[#img-12|Figura 12]], se muestran los resultados para cubiertas de baja altura a dos aguas, entre 4.25 y 13.25 m. Se observa la relación entre el Método Simplificado y CFD con el flujo de viento en dirección longitudinal, es decir, paralelo a la cumbrera. Se obtuvo para la zona a barlovento, una diferencia entre 20% y 50% para las estructuras de 4.25 y 7.25 m de altura y para la cubierta con 13.25 m de alto, la diferencia fue de 50%. Para la zona a sotavento las estructuras de 4.25 y 7.25 m los valores del código de diseño están aproximadamente un 80% por encima del modelo numérico casi al borde de la estructura, igualmente que la estructura de 13.25 m de alto, pero con una diferencia máxima del 20%.
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-En la Figura 13 se muestran los resultados obtenidos con el Método Analítico para todos los casos de cubierta inclinada. Solo para la estructura de menor altura se presenta una diferencia mayor que uno entre los métodos, es decir, con el modelo numérico se obtvieron presiones mayores que con el código de diseño. Para los demás casos, las presiones que se obtuvieron con el modelo numérico fueron menores que las que se obtuvieron con el código de diseño. Para las estructuras con alturas entre 13.25 m y 37.25 m, las diferencias son aproximadamente del 50% en la zona a barlovento, y para la zona a sotavento las diferencias son entre el 20% y 60%.
+En la [[#img-13|Figura 13]] se muestran los resultados obtenidos con el Método Analítico para todos los casos de cubierta inclinada. Solo para la estructura de menor altura se presenta una diferencia mayor que uno entre los métodos, es decir, con el modelo numérico se obtvieron presiones mayores que con el código de diseño. Para los demás casos, las presiones que se obtuvieron con el modelo numérico fueron menores que las que se obtuvieron con el código de diseño. Para las estructuras con alturas entre 13.25 m y 37.25 m, las diferencias son aproximadamente del 50% en la zona a barlovento, y para la zona a sotavento las diferencias son entre el 20% y 60%.
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-Por último, con el flujo de viento en dirección transversal, es decir, perpendicular a la cumbrera, se evaluaron las diferencias entre el Método Analítico del código de diseño y el modelo numérico para todos los casos de estructura con cubierta inclinada (Figura 14). En contraste con los resultados obtenidos anteriormente para estructuras bajas,  las presiones que se obtuvieron con el código de diseño fueron mayores a las que se lograron con el modelo numérico a lo largo de toda la cumbrera de la cubierta. Para las demás estructuras en la zona a barlovento, las diferencias fueron de un 50% y en la zona a sotavento entre el 25% y 90%, siendo mucho mayores las cargas del código de diseño.
+Por último, con el flujo de viento en dirección transversal, es decir, perpendicular a la cumbrera, se evaluaron las diferencias entre el Método Analítico del código de diseño y el modelo numérico para todos los casos de estructura con cubierta inclinada ([[#img-14|Figura 14]]). En contraste con los resultados obtenidos anteriormente para estructuras bajas,  las presiones que se obtuvieron con el código de diseño fueron mayores a las que se lograron con el modelo numérico a lo largo de toda la cumbrera de la cubierta. Para las demás estructuras en la zona a barlovento, las diferencias fueron de un 50% y en la zona a sotavento entre el 25% y 90%, siendo mucho mayores las cargas del código de diseño.
+<div id='img-14'></div>
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 ====4.3.3 Homogeneidad de la capa límite====
-Independientemente del tipo de simulación, se debe garantizar la homogeneidad del perfil vertical de velocidad para evitar resultados erróneos [14,20,21]. Mediante una simulación del dominio computacional vacío, se evaluaron tanto el perfil de entrada como los perfiles que se desarrollan a lo largo del dominio. Se verificó que no se generaran gradientes de presión adversos y se garantizó que el dominio cumpliera con las condiciones establecidas por el reglamento en cuanto a la rugosidad. En la Figura 5, se ilustran los resultados de la simulación en términos del cambio del perfil de velocidad a lo largo del dominio. Se evaluaron diez perfiles de velocidad, tomadas cada 40 m desde la entrada del dominio.
+Independientemente del tipo de simulación, se debe garantizar la homogeneidad del perfil vertical de velocidad para evitar resultados erróneos [14,20,21]. Mediante una simulación del dominio computacional vacío, se evaluaron tanto el perfil de entrada como los perfiles que se desarrollan a lo largo del dominio. Se verificó que no se generaran gradientes de presión adversos y se garantizó que el dominio cumpliera con las condiciones establecidas por el reglamento en cuanto a la rugosidad. En la [[#img-5|Figura 5]], se ilustran los resultados de la simulación en términos del cambio del perfil de velocidad a lo largo del dominio. Se evaluaron diez perfiles de velocidad, tomadas cada 40 m desde la entrada del dominio.
+<div id='img-5'></div>
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-La zona sombreada de gris en la Figura 5, representa el rango de los perfiles de velocidad media. El porcentaje de diferencia en los valores de velocidad media de los perfiles de los planos con respecto al perfil en la entrada, no superó el 1%. Esto indica que el perfil se mantiene constante en toda la longitud del dominio, validando las condiciones de frontera del dominio computacional.
+La zona sombreada de gris en la [[#img-5|Figura 5]], representa el rango de los perfiles de velocidad media. El porcentaje de diferencia en los valores de velocidad media de los perfiles de los planos con respecto al perfil en la entrada, no superó el 1%. Esto indica que el perfil se mantiene constante en toda la longitud del dominio, validando las condiciones de frontera del dominio computacional.
 ===4.4 Estimación de presiones===

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 ====4.3.2 Discretización de la malla====
-El dominio computacional fue discretizado usando volúmenes de control prismáticos hexaédricos. Este tipo de malla requiere mayor recurso computacional y, por lo tanto, limita el número de elementos que se puedan utilizar. Para cada configuración geométrica se realizó un análisis de independencia de la malla, iniciando con una configuración burda con aproximadamente 1.000.000 de elementos hasta llegar a una malla fina de 9.000.000 de elementos. Como resultado de este análisis se eligió una configuración con aproximadamente 5.000.000 de elementos. En la Figura 4, se muestra el detalle de esta malla en la subcapa viscosa.  La relación de aspecto geométrica de la malla fue parametrizada en el diseño del experimento en ANSYS, tomando la altura de la estructura como la longitud característica y el parámetro de relación de aspecto adimensional.
+El dominio computacional fue discretizado usando volúmenes de control prismáticos hexaédricos. Este tipo de malla requiere mayor recurso computacional y, por lo tanto, limita el número de elementos que se puedan utilizar. Para cada configuración geométrica se realizó un análisis de independencia de la malla, iniciando con una configuración burda con aproximadamente 1.000.000 de elementos hasta llegar a una malla fina de 9.000.000 de elementos. Como resultado de este análisis se eligió una configuración con aproximadamente 5.000.000 de elementos. En la [[#img-4|Figura 4]], se muestra el detalle de esta malla en la subcapa viscosa.  La relación de aspecto geométrica de la malla fue parametrizada en el diseño del experimento en ANSYS, tomando la altura de la estructura como la longitud característica y el parámetro de relación de aspecto adimensional.
+<div id='img-4'></div>
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 ====4.3.1 Dominio del modelo numérico====
-Las dimensiones del dominio dependen de las características físicas que se definen en la categoría de exposición de la estructura, mencionadas en la sección 3.2. Se realizó un análisis de homogeneidad de la capa límite a medida que el perfil de velocidad avanza longitudinalmente y siguiendo las recomendaciones de las referencias [10,15], se utilizó la configuración geométrica mostrada en la Figura 3 para el dominio computacional.
+Las dimensiones del dominio dependen de las características físicas que se definen en la categoría de exposición de la estructura, mencionadas en la sección 3.2. Se realizó un análisis de homogeneidad de la capa límite a medida que el perfil de velocidad avanza longitudinalmente y siguiendo las recomendaciones de las referencias [10,15], se utilizó la configuración geométrica mostrada en la [[#img-3|Figura 3]] para el dominio computacional.
+<div id='img-3'></div>
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-Según el análisis geométrico, el dominio tiene dimensiones de 200 m de ancho, 200 m de alto y 400 m de largo. Las condiciones de frontera apropiadas representan las influencias del entorno que ha sido limitado por el dominio computacional y son parte fundamental del pre-proceso del modelado en CFD. Por lo tanto, las condiciones de frontera establecidas en el modelo numérico se describen en la Tabla 2.
+Según el análisis geométrico, el dominio tiene dimensiones de 200 m de ancho, 200 m de alto y 400 m de largo. Las condiciones de frontera apropiadas representan las influencias del entorno que ha sido limitado por el dominio computacional y son parte fundamental del pre-proceso del modelado en CFD. Por lo tanto, las condiciones de frontera establecidas en el modelo numérico se describen en la [[#tab-2|Tabla 2]].
 <div class="center" style="font-size: 75%;">'''Tabla 2'''. Condiciones de frontera del modelo numérico
 </div>
+<div id='tab-2'></div>
 {| style="width: 53%;margin: 1em auto 0.1em auto;border-collapse: collapse;font-size:85%;"
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 ===4.2 Parámetros aerodinámicos===
-Los modelos tienen un área de ocupación de 400 m<sup>2</sup> y se encuentran aislados. Las características físicas del terreno se mantienen por una distancia mayor a 20 veces la altura del edificio o 1500 m, la que sea mayor en la dirección de barlovento. A partir de las características aerodinámicas y geométricas de las estructuras, se establecieron los valores para los parámetros definidos en cada una de las metodologías de cálculo de las cargas viento (Tabla 1).
+Los modelos tienen un área de ocupación de 400 m<sup>2</sup> y se encuentran aislados. Las características físicas del terreno se mantienen por una distancia mayor a 20 veces la altura del edificio o 1500 m, la que sea mayor en la dirección de barlovento. A partir de las características aerodinámicas y geométricas de las estructuras, se establecieron los valores para los parámetros definidos en cada una de las metodologías de cálculo de las cargas viento ([[#tab-1|Tabla 1]]).
 <div class="center" style="font-size: 75%;">'''Tabla 1'''. Parámetros aerodinámicos del dominio según del Reglamento NSR-10
 </div>
+<div id='tab-1'></div>
 {| style="width: 100%;margin: 1em auto 0.1em auto;border-collapse: collapse;font-size:85%;"
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 {| style="text-align: center; margin:auto;width: 100%;"
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-| style="text-align: center;" | <math><math>\frac{\partial (\rho U)}{\partial t}+\nabla \left( \rho U\otimes U\right) =-\nabla p+</math><math>\nabla \cdot \tau +{S}_{M}</math>
+| style="text-align: center;" | <math>\frac{\partial (\rho U)}{\partial t}+\nabla \left( \rho U\otimes U\right) =-\nabla p+</math><math>\nabla \cdot \tau +{S}_{M}</math>
 | style="width: 5px;text-align: right;white-space: nowrap;" |(4)
 |}

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 |}
-donde <math>p_s</math> es la presión, <math>\lambda</math> es el factor de ajuste por altura y exposición que tiene un valor entre 1.47 y 1.87, <math>{K}_{zt}</math> es el factor topográfico, <math>I</math> es el factor de importancia, y <math>P_{s10}</math> es la presión de viento simplificada para la categoría de exposición y es dado en el reglamento. La presión calculada representa la presión neta (suma de presiones internas y externas) que se debe aplicar a la proyecciones verticales y horizontales de las superficies del edificio como se muestra en la Figura 1.
+donde <math>p_s</math> es la presión, <math>\lambda</math> es el factor de ajuste por altura y exposición que tiene un valor entre 1.47 y 1.87, <math>{K}_{zt}</math> es el factor topográfico, <math>I</math> es el factor de importancia, y <math>P_{s10}</math> es la presión de viento simplificada para la categoría de exposición y es dado en el reglamento. La presión calculada representa la presión neta (suma de presiones internas y externas) que se debe aplicar a la proyecciones verticales y horizontales de las superficies del edificio como se muestra en la [[#img-1|Figura 1]].
+<div id='img-1'></div>
 {| style="text-align: center; border: 1px solid #BBB; margin: 1em auto; width: auto;max-width: auto;"
 |-
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 |}
-donde <math>q</math> es la presión por velocidad, <math>GC_p</math> es el producto del coeficiente de presión externa y el factor de efecto ráfaga, <math>q_i</math> la presión por velocidad para la determinación de la presión interna y <math>GC_{pi}</math> es el producto del coeficiente de presión interna y el factor de efecto ráfaga, parámetros especificados en el reglamento como se muestra en la Figura 2.
+donde <math>q</math> es la presión por velocidad, <math>GC_p</math> es el producto del coeficiente de presión externa y el factor de efecto ráfaga, <math>q_i</math> la presión por velocidad para la determinación de la presión interna y <math>GC_{pi}</math> es el producto del coeficiente de presión interna y el factor de efecto ráfaga, parámetros especificados en el reglamento como se muestra en la [[#img-2|Figura 2]].
-−
 {| style="text-align: center; border: 1px solid #BBB; margin: 1em auto; width: auto;max-width: auto;"
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 [6] Asociación Colombiana de Ingeniería Sísmica. Reglamento Colombiano de Construcción Sismo Resistente NSR-10. Bogotá, 2010.
-[7] Areiza, G., “No Title.” Universidad del Vallle, Cali, 2010.
+[7] Areiza, G., Ingeniería Eólica Aplicada a la Ingeniería Civil. Universidad del Vallle, Cali, 2010.
 [8] Mott, H. CFX Simulation Improves Ventilation at Grand Central Terminal. [Online]. Available: https://caeai.com/sites/default/files/CFX Simulation Improves Ventilation at Grand Central Terminal.pdf. [Accessed: 06-Oct-2017].

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 ==Referencias==
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