Papers GYM. Edificio Aerodinámico.construccion.

EDIFICACIÓN AERODINÁMICA CON SISTEMA DE VENTILACIÓN NATURAL Y DISEÑO PARA ALTAS CARGAS DE VIENTO “

”

necesidades del planeta por un adecuado manejo ambiental en la ingeniería.

2. Objetivos

Autor: Torres Medina Francisco José [email protected]

2.1 Objetivo General 

Resumen Los vientos huracanados producen severos daños en estructuras de gran altura. En este paper se analizan y presentan los efectos de las altas cargas de viento en edificios. A su vez se plantea una alternativa de solución haciendo uso de la Mecánica de Fluidos y Análisis Estructural. Además de ello se plantea una alternativa de manera que no solo mitigue este efecto en la estructura sino aproveche la energía cinética del viento para convertir un proyecto simple, en un proyecto sustentable mediante la omisión de sistemas de ventilación eléctricos haciendo uso de volúmenes de control y ecuaciones de cantidad de movimiento.

Palabras Clave Carga de Viento. Viento Huracanado. Ladeo Estructural. Aerodinámica. Sistema de ventilación. Perfil Aerodinámico. Fuerza de Sustentación. S ustentación.

1. Introducción En la mayoría de países del hemisferio norte, donde los temporales, huracanes y fenómenos atmosféricos relacionados con el viento son implacables, no se ha desarrollado adecuadas alternativas de solución o soporte ante este tipo de eventos. Los efectos de la carga de viento sobre las edificaciones son de carácter erosivo y perjudicial para la estructura. Además de provocar un fenómeno comúnmente llamado “ladeo” que perjudica a los cimientos. Los

estudios de aerodinámica aplicada (para el diseño transversal de la edificación como por ejemplo , en la elección de distintos perfiles aerodinámicos), análisis estructural (para percatarnos de las solicitaciones de viento en la estructura) nos llevan a  plantear una solución adecuada ante estos problemas y siendo épocas donde se tiene que vincular todo  proyecto con el ambiente de manera positiva, se mitigarán los efectos contaminantes a su vez, que causa los sistema de ventilación incorporados en grandes edificaciones. Así nace este proyecto, en función a una necesidad en regiones específicas con altas velocidades de viento y tomando en cuenta las

Plantear una propuesta innovadora para el diseño de edificaciones con altas solicitudes de carga de viento de manera sustentable.

2.2 Objetivos Específicos 

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Elaborar una propuesta técnica para una edificación con un diseño tal que mitigue los efectos erosivos de la carga de viento sobre la estructura. Plantear un diseño estructural sustentable  prescindiendo fundamentalmente de un sistema de ventilación.

3. Desarrollo Cuando se diseña una estructura civil, normalmente no se tiene en cuenta consideraciones aerodinámicas  para que la estructura  pueda soportar altas solicitaciones de viento y cuando se tienen en cuenta, consideran factores de seguridad y ecuaciones que no siempre satisfacen todas las condiciones climatológicas extremas de  países del hemisferio norte. norte. El efecto del viento sobre una estructura depende de la densidad y la velocidad del aire, el ángulo de incidencia del viento, la forma y la rigidez de la estructura y la rugosidad de la superficie, los vientos de un huracán, huracán, por ejemplo, pueden causar causar serios 1 daños en los condominios.

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 Análisis Estructural.8va Edición. R.C. Hibbeler. Capítulo 1. Pág. 16. 1

Proteger determinadas áreas de patógenos que  puedan penetrar vía aire.  Normalmente en las edificaciones en muchos países del mundo se usa distintos sistemas de ventilación, la mayoría de ellos que consumen mucha energía eléctrica y para su mantenimiento utilizan contaminantes como el freón. 

El huracán es el más severo de los fenómenos meteorológicos conocidos como ciclones tropicales. Estos son sistemas de baja presión con actividad lluviosa y eléctrica cuyos vientos rotan antihorariamente (en contra de las manecillas del reloj) en el hemisferio Norte, este tipo de eventualidades son las que muchas edificaciones, aunque hayan sido construidas con especificaciones aerodinámicas, no pueden soportan las estructuras. He aquí la primera necesidad, resolver un diseño  para que este tipo de eventualidades pueda ser mitigada.

Ahora, en arquitectura se denomina ventilación a la renovación del aire del interior de una edificación mediante extracción o inyección de aire. La finalidad de la ventilación es:  



 

Asegurar la limpieza en del aire respirable. Asegurar la salubridad del aire, tanto el control de la humedad, concentraciones de gases o  partículas en suspensión. Colaborar en el acondicionamiento térmico del edificio. Luchar contra los humos en caso de incendio. Disminuir las concentraciones de gases o  partículas a niveles adecuados para el funcionamiento de maquinaria o instalaciones.

Estos ventiladores, tienen por lo general varios devanados en el motor para las diferentes velocidades o un reóstato para variar la velocidad. Cuanto más rápido más resistencia del aire por lo tanto más consumo eléctrico y dado que en una edificación no solo tienen que estar constantemente  prendidos sino a un grado de velocidad alto para una circulación de flujo eficiente y constante, el consumo eléctrico puede llegar a ser bastante alto  por cada planta. Un buen sistema para comprobar el consumo de un aparato eléctrico, es mirar el contador o medidor eléctrico, como gira el disco o las marcas de consumo. Por ejemplo enciendes una bombilla y, apagas y compruebas la diferencia, lo mismo se  puede hacer después con las diferentes velocidades del ventilador. En muchos edificios, especialmente los destinados a uso comercial, empresarial y académico, la regulación de la temperatura y la calidad del aire interior es vital para el confort y la productividad. Sin embargo este requisito tiene que equilibrarse con las preocupaciones actualmente existentes con el medio ambiente y la necesidad de incorporar nuevos aspectos de ahorro de energía en el diseño de edificios. De hecho, en países como Estados Unidos, la dependencia del aire acondicionado supone el consumo de uno de cada cinco kilovatios/hora de electricidad producida en el país. Ingenieros, arquitectos y científicos de todo el mundo están trabajando para reducir nuestra dependencia de los sistemas de climatización de alto consumo energético mediante el uso de la ventilación natural . Para ello, en unos casos se han optado por aplicar tecnologías de vanguardia, mientras que en otros se han elegido métodos de

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diseño probados puestos en práctica durante siglos en las construcciones. 2

Además de ello, la dirección de viento necesariamente me ayudará para calcular el ángulo de ataque que deberá tener la construcción. Dado que el viento siempre varía en un determinado rango, se considerará el valor promedio para que haya una máxima sustentación y así se garantice la factibilidad del sistema de ventilación.

4.1.1 Gráfica de regiones específicas Las gráficas en regiones específicas serán de utilidad para identificar regiones.

Consumo eléctrico de ventiladores en edificios de 3 plantas

Cifras del Consejo Mundial de Negocios para el Desarrollo Sustentable afirman que del total de la energía que consume un edificio, 12% se utiliza en la etapa de la construcción, mientras que el 84% se gasta durante la vida útil por calefacción, ventilación, agua caliente y electricidad. El restante 4% se emplea en el mantenimiento del edificio.

En general se pueden tener gráficas de  países: Atlas eólico de EEUU renovado al 2013 donde se aprecian de igual manera vientos superiores a 10.5 m/s.

Con esta segunda parte, podemos darnos cuenta que si bien es cierto la problemática de altas solicitaciones de viento debe ser solucionada pero solucionar a su vez el excesivo consumo de energía dado por un sistema de ventilación calificaría al  proyecto con una grado de sustentable, que es lo que se pretende.

4. Propuesta de solución. Formato de desarrollo. La posible solución al problema lo plantearemos  básicamente en una serie de pasos:

4.1 Elección de data meteorológica. Con esta data ya sea a nivel regional o a nivel internacional podré identificar zonas específicas en las cuales puede ser factible la construcción de este edificio, puesto que podré calcular velocidades de tiempo promedio para incluirlas en la fórmula de sustentación.

Como gráficas de regiones: En el caso de la región Ica el atlas eólico puede llegar en regiones de vientos de hasta 10 m/s.

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 La ventilación natural de los edificios en el ahorro energético. Ing. Eugenio R. www.fierasdelaingeniería.com 3

4.2 Elección del perfil aerodinámico

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En este caso se hará un análisis distinto al común. El perfil aerodinámico que se analiza comúnmente se debe tener en cuenta un equilibrio entre el coeficiente de sustentación máximo y el coeficiente de resistencia mínimo dado que ambos influyen en el avance de máquinas de vuelo.

Para eso aplicaré la ecuación de cantidad de movimiento:

     ….. (1) Ya que me ayudará a relacionar la fuerzas de presión con la velocidad a la que pasará el viento. 

Reporte N.A.C.A. 0015

Sin embargo en este caso el arrastre no será de importancia puesto que la estructura no se moverá, dado que queremos la máxima fuerza de sustentación, para el perfil que se elija se calculará con la máxima fuerza de sustentación.

4.2.1 Calculo de Fuerza de Sustentación Se realizará con la siguiente fórmula:

















Para ello estableceré un volumen de control a través de toda la sección de un piso donde las fronteras se encuentran en los límites del conducto. Para aplicar la fórmula tengo ya  ,  , me faltarían 4 términos. Sin embargo las presiones las hallaría de la curva de distribución de presiones sobre el  perfil alar, entonces tendría para el caso:  . Pero aún tengo una ecuación y dos variables (  ) Pero por la ecuación integral de conservación de masa :

    

     

 ∭      ⃗    Para mi caso será un volumen de control indeformable (  =cte) y fijo en tierra ⃗  ⃗ ), compresible, permanente o (  

estacionario (  =0).

Dónde: 

Ahora, necesitamos poder calcular la velocidad por la que el flujo va a pasar a través de la sección entre cada piso.

es la fuerza de sustentación que se calculará es la densidad del fluido en este caso consideraré estándar: 1.12 kg/m 3. es la velocidad,  en este caso con los casos anterior referenciados, será 12 m/s es el área de referencia del cuerpo, por ser perfil alar, será C = 50 es el coeficiente de sustentación. Por ejemplo de la gráfica anterior: 0.8

 L

       

Este resultado es una fuerza moderada, para resistir una estructura convencional

 ∭    

  ⃗   ⃗    ⃗    ⃗  ⃗   ⃗ El término ∬ ⃗  se llama caudal másico: ̇  ̇ 4

Simplificando:

   

AutoCAD 2011 Vista de Planta Vista lateral

…. (2)

Finalmente con la ecuación (1) y (2) ya tendré las velocidades con las que se verificará que el edificio contará con un sistema de ventilación natural de aire.

4.3 Diseño y dimensionamiento 4.3.1. Diseño 2D Solidworks-Tentativo Vista de Planta Vista lateral Vista Frontal

Vista Frontal

4.3.2 Dimensionamiento real El dimensionamiento real se realizará en cálculos aproximados, por ejemplo:   



Ancho =  = 10 m. Longitud = cuerda = 50 m. Altura = 200 m.

4.3.3 Dimensionamiento a escala reducida 4.3.3.1Similitud de Reynolds 

Se utilizará esta escala debido a que el fluido navegante es aire y las fuerzas inerciales tienen relevancia en el proyecto. 5



Las formulas a aplicar, para las distintas escalas (geométricas, cinemáticas y dinámicas) son las siguientes:

4.4. Construcción de Modelo

     

La prueba está proyectada hacerle de dos maneras:

  

4.4.1 Prueba en Túnel de Viento



La escala geométrica será 1000 (1/1000)

4.3.3.2. Similitud de Euler 

Se utilizará esta escala debido a que el fluido navegante es aire y las fuerzas de  presión también tiene mucha relevancia para el movimiento transversal al edificio del fluido. Las formulas a aplicar, para las distintas escalas (geométricas, cinemáticas y dinámicas) son las siguientes:

   

     

La escala geométrica será 1000 (1/1000)



Haciendo uso del Software ANSYS con los archivos AUTOCAD y Solidworks generados, donde los parámetros del flujo serán asignados haciendo uso de la similitud física La segunda propuesta es hacer un modelo físico reducido a escala reducida con las dimensiones que he hallado haciendo uso de la similitud de Reynolds y Euler. Se  probaría en el túnel de viento de Mecánica de Fluidos. El material sería concreto de construcción para hacer un símil con el  proyecto real.

5. Conclusiones y Recomendaciones 

Conclusiones

4.3.4 Diseño 3D 

Solidworks - tentativo

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AutoCAD 2013

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Los efectos erosivos en las estructuras causadas por altas solicitaciones de viento  pueden ser mitigados con el diseño de una edificación tipo perfil alar en donde el viento circule a través del edificio de manera tal que no tenga efecto de rebote en él. El modelo de perfil alar en la edificación aerodinámica generará una diferencia de  presiones que puede ser aprovechada para generar un sistema de ventilación natural. Prescindir de un sistema de ventilación en distintas plantas de una edificación de gran altura involucra un ahorro de consumo eléctrico significativo.

Recomendaciones 

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Se recomienda tener sumo cuidado con la elección del perfil ideal, de preferencia referirse a los perfiles de tipo NACA puesto que muchos de ellos son específicos para determinadas solicitaciones. Se recomienda aplicar de manera correcta las similitudes de Reynolds y Euler puesto que pueden generar confusión para el uso de distintos parámetros dado que es una fusión de ambas. Se recomienda generar el objeto tridimensional en Solidworks o Inventor ya 6

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que es un formato más manejable para el software ANSYS 14.5. Se recomienda efectuar los cálculos con una aproximación de 1 cifra significativa tanto  para el modelo como para el prototipo. Se recomienda evaluar también la curva de momento del perfil, solo para efectos de sustentar su estabilidad estructural.

6. Glosario 

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Sustentación. Fuerza vertical originada por la diferencia de presiones entre las dos cara de un cuerpo internado en un flujo de viento. Similitud Física.   Leyes matemáticas que  proporcionan una herramienta para dimensionar a escala prototipos de estructuras reales. Perfil Aerodinámico.  Área transversal de un elemento alar el cual se somete a un flujo de viento para analizar la interacción cuerpo-flujo. Ladeo Estructural.  Fenómeno estructural  producido por altas cargas de viento en edificios en donde las cimentaciones pueden ser severamente afectadas. Ecuación de Cantidad de Movimiento. Ecuación físico-matemática que relacionas las fuerzas en un volumen de control con la velocidad de flujo.

Carlos Romero Cabra. Soler & Palau Sistemas de Ventilación S.L.U. 

Páginas Web  

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http://airfoiltools.com/airfoil/naca4digit http://www.ppart.de/aerodynamics/profiles/  NACA4.html http://www.aero.us.es/adesign/Slides/Pautas /Tema_Extra_Introduccion_Perfiles_NACA .pdf  http://es.scribd.com/doc/136404883/Perfiles -NACA http://www.fglongatt.org/Reportes/RPT2007 -01.pdf  http://www.pdas.com/profiles.html

7. Referencias Bibliográficas 

Textos 

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Análisis Estructural. R.C.Hibbeler. Octava Edición.Pearson.Pag 15-20. Fundamentos de la Mecánica de Fluidos.Munson Young Okishi.Editorial Limusa. Mecánica de Fluidos. Frank. M. White. Editorial Mc. Graw Hill. Meteorología. Universidad Nacional Mayor de San Marcos. Víctor Izocupe Corahua.Capitulo 9. Gestione su edificio de Oficinas Eficientemente. Guía de Soluciones. Schneider Electric.España. Instalaciones de Ventilación Energéticamente Eficientes. Ing. Juan 7