19 febrero, 2025 4:33 pm

Las aportaciones del túnel de viento  a la normativa mexicana

El objetivo de este artículo es presentar algunas aportaciones del túnel de viento a la normativa mexicana para diseño por viento. De manera particular, se describen resultados de estudios experimentales que permitieron avanzar en el conocimiento de los efectos del viento en estructuras y que tuvieron impacto directo en la normativa para diseño por viento en nuestro país. Además, se presentan argumentos que sustentan la importancia del empleo del túnel de viento en futuras actualizaciones de la normativa para diseño por viento, en las que el diseño por desempeño cumplirá un relevante papel.

Adrián Pozos Estrada Ingeniero civil con doctorado. Investigador del II UNAM y miembro fundador del Grupo de Ingeniería de Viento (GIV) del II UNAM. Coordinador de los Subcomités para la Actualización de la NTC-Viento y de Riesgos Naturales del CICM.

Palabras clave: diseño por viento, normativa, túnel de viento, estudio experimental.

Hay diversas aproximaciones para estudiar los efectos del viento en estructuras. Las más empleadas en México y en el mundo son el estudio experimental, el estudio analítico y el estudio numérico. Actualmente, son los estudios experimentales los que marcan la referencia para los estudios analíticos y numéricos, lo que resalta la importancia de la experimentación. La herramienta que se emplea para el estudio experimental es el denominado túnel de viento. Existen en el mundo una gran variedad de túneles de viento; sin embargo, el tipo de túnel de viento que se emplea con gran frecuencia para evaluar los efectos del viento sobre estructuras es el denominado túnel de viento de capa límite atmosférica (TVCLA). En términos prácticos, un TVCLA es aquel que permite simular la interacción del flujo de viento con las obstrucciones sobre el terreno (árboles, casas, lagos, edificios). En la figura 1 se muestra una vista isométrica de un TVCLA operado por el Grupo de Ingeniería de Viento (GIV) del Instituto de Ingeniería (II) de la UNAM; se observa el cono de contracción, cuya función es acelerar el flujo de viento antes de que este ingrese a la sección de pruebas; la barrera acastillada, los generadores de vórtices y los elementos rugosos, cuya función conjunta es caracterizar el flujo de viento, con la finalidad de que este cuente con el nivel de turbulencia y perfil medio del viento deseados durante las pruebas.

Requisitos para pruebas experimentales en TVCLA

En México, la normativa para diseño por viento ha incluido lineamientos generales para estudios experimentales en túnel de viento; sin embargo, los detalles del tipo de modelo experimental, el tipo de prueba, así como los requisitos técnicos para caracterizar el flujo de viento en el TVCLA no se habían incluido. La construcción del TVCLA del Laboratorio de Estructuras y Materiales de Alta Tecnología, operado por el GIV del II UNAM, permitió avanzar en el conocimiento de diversas técnicas de simulación del flujo del viento y tipos de pruebas (Amaya et al., 2022), con lo cual pudieron complementarse los requisitos para pruebas experimentales en túnel de viento que se incluyen en la Norma Técnica Complementaria para Diseño por Viento (NTC-Viento; GODF, 2023), así como en el Manual de Diseño de Obras Civiles para Diseño por Viento (MDOC-DV; CFE, IEE, 2020). La información nueva acerca de pruebas experimentales en túnel de viento que se incluyó en la NTC-Viento 2023 y en el MDOC-DV 2020 garantiza que las pruebas experimentales que se realicen para evaluar los efectos del viento en estructuras sean representativas y válidas.

En la figura 2 se muestra el arreglo experimental en el TVCLA para evaluar los efectos del viento en un edificio rodeado por naves industriales de diversas configuraciones. Para garantizar la representatividad y validez de las pruebas, se siguieron los requisitos técnicos indicados en la normativa.

Coeficientes de presión en paneles solares sobre terreno

Como resultado de los daños ocasionados por vientos fuertes en paneles solares colocados sobre terreno, se desarrolló un proyecto de investigación con la intención de evaluar los coeficientes de presión sobre arreglos de paneles solares. La investigación incluyó las pruebas de un conjunto de paneles solares sometidos a dos intensidades de viento diferentes, las cuales son representativas de México. Los parámetros de estudio también incluyeron dos ángulos de inclinación de los paneles (0 y 20º), así como dos separaciones entre las hileras de los paneles. En la figura 3 se muestra un arreglo del conjunto de paneles solares ubicados en la mesa giratoria del TVCLA. Los modelos de paneles instrumentados se fabricaron con acrílico y resina ABS, y fueron instrumentados tanto en la cara superior como en la inferior. Los resultados de estos experimentos permitieron, junto con análisis numéricos realizados por investigadores del Instituto Nacional de Electricidad y Energías Limpias, proponer un procedimiento de análisis para determinar coeficientes de presión sobre paneles solares colocados sobre terreno. El procedimiento se incluyó en la versión más reciente del MDOC-DV (2020).

Coeficientes de presión sobre cubiertas curvas soportadas por columnas

Una estructura que es empleada con frecuencia para cubrir canchas deportivas en escuelas es la cubierta curva soportada por columnas. A lo largo de los años, se han observado fallas de este tipo de estructura debido a eventos eólicos extremos. Se ha identificado que las fallas se presentan en los mecanismos de sujeción de la cubierta, que a su vez provocan fatiga en la lámina; otra de las fallas recurrentes es el pandeo local de los elementos secundarios de apoyo de la cubierta. Aunado a lo anterior, también se han presentado colapsos totales de la estructura de la cubierta provocados por lluvias intensas y altas velocidades de viento que ocasionan sobrecarga en la cumbrera de la cubierta (Murià et al., 2015).

Es importante destacar que ninguna normativa para diseño por viento en México incluye coeficientes de presión sobre cubiertas curvas soportadas por columnas, lo que evidencia la necesidad de realizar estudios experimentales de este tipo de estructuras. Para contribuir al desarrollo de coeficientes de presión y metodologías para evaluar las presiones sobre cubiertas curvas soportadas por columnas, se realizaron pruebas experimentales en túnel de viento de dos modelos a escala, en donde se varió el ángulo de inclinación del arco para evaluar si este influía en el comportamiento de la distribución de las presiones sobre la cubierta (Hernández, 2024). En la figura 4 se presenta uno de los modelos probados: se puede observar el sistema de turbulencia en la sección de pruebas del túnel de viento para simular una categoría de terreno del tipo suburbano.

Los resultados experimentales indicaron que hay una gran variabilidad de los coeficientes netos de presión respecto de los que propone la normativa mexicana para el diseño de estructuras similares sometidas a fuerzas del viento (GODF, 2020; CFE, IIE, 2023), de manera particular con los coeficientes de presión netos propuestos para naves industriales con cubierta curva. Estas diferencias reafirman la necesidad de realizar investigaciones más extensas y detalladas en esta área. También se observó que los coeficientes de presión son más desfavorables en succión, debido a la interacción de las fuerzas internas y externas que actúan sobre una cubierta curva. La zona externa de la cubierta es la más afectada, debido a que se originan vórtices en sus esquinas y áreas perimetrales, lo que a su vez genera una sobrepresión localmente.

Conclusiones

Es importante tener en cuenta que los resultados experimentales en túnel de viento son “un traje a la medida” para evaluar los efectos del viento sobre una estructura en particular, por lo que estos estudios experimentales son y seguirán siendo la mejor opción para evaluar los efectos del viento en estructuras.

La NTC-Viento 2023 y el MDOC-DV 2020 incluyen procedimientos experimentales y analíticos para el cálculo de las fuerzas inducidas por el viento que consideran los avances más recientes en el área de ingeniería de viento y, de manera particular, de pruebas experimentales en túnel de viento.

Es deseable que la futura actualización de la normativa para diseño por viento incluya los avances más recientes de estudios experimentales en túnel de viento, los cuales deben satisfacer los requisitos técnicos que se establecen en la regulación actual. Lo anterior permitirá ir construyendo una normativa efectivamente nacional, y no solamente “tropicalizar” y reproducir procedimientos de códigos extranjeros

Referencias

Amaya, E., et al. (2022). Characteristics and calibration of the Mexican boundary layer wind tunnel at UNAM. Ingeniería, Investigación y Tecnología 23(01): 1-14.

Comisión Federal de Electricidad (CFE) e Instituto de Investigaciones Eléctricas, IIE (2020). Manual de diseño de obras civiles, Diseño por Viento.

Gaceta Oficial del Distrito Federal, GODF (2023). Normas Técnicas Complementarias para Diseño por Viento.

Hernández, M. A. (2024). Pruebas experimentales para obtener coeficientes de presión en cubiertas de arco circular aisladas. Tesis de maestría. Programa de Maestría y Doctorado en Ingeniería. Facultad de Ingeniería UNAM.

Murià, D., et al. (2018). Effects of hurricane Odile on the infrastructure of Baja California Sur, Mexico. Natural Hazards, Journal of the International Society for the Prevention and Mitigation of Natural Hazards 91(3): 963-981. Springer; International Society for the Prevention and Mitigation of Natural Hazards.

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