COMPORTAMIENTO AERODINAMICO DE SECCIONES DE PUENTES DE GRANDES CLAROS CONSIDERANDOPUENTES DE GRANDES CLAROS CONSIDERANDO

DIFERENTES VELOCIDADES DE VIENTO, ÀNGULOS DE ATAQUE E INCLINACIÒN DE LAS PAREDES

ÁlvarezÁlvarez ArellanoArellano JuanJuan AntonioAntonio 11,,33

SánchezSánchez SánchezSánchez HéctorHéctor AA 22SánchezSánchez SánchezSánchez HéctorHéctor AA..SordoSordo ZabayZabay EmilioEmilio33

1 Universidad Autónoma del Carmen (UNACAR)

2 Sección de Estudios de Posgrado e Investigación, g g ,ESIA-UZ, Instituto Politécnico Nacional

3 Universidad Autónoma Metropolitana, Unidad Azcapotzalco (UAM-A)

RESUMEN

El efecto del viento es particularmente importante para el caso de puentes de grandes claros yEl efecto del viento es particularmente importante para el caso de puentes de grandes claros yde bajo peso, pues se puede producir con relativa facilidad un efecto oscilante. Debido a esto,también se pueden generar fuerzas de viento en las tres direcciones transversal, longitudinal yvertical del puente.p

Las secciones de los tableros más utilizadas en puentes carreteros como la tipo dovela,poseen características particulares que incluyen: peralte variable, inclinación de las paredesasí como los patines superiores los cuales modifican en gran medida la trayectoria del flujo deasí como los patines superiores, los cuales modifican en gran medida la trayectoria del flujo deviento a través de la sección y modifican su comportamiento aerodinámico.

Se presentan resultados de simulaciones numéricas de la interacción fluido-estructuraprealizadas con ANSYS/FLOTRAN CFD 11.0 implementado modelos de turbulencia para lareproducción de la acción de viento en dichas estructuras. Dentro de las variables estudiadasse encuentran: la inclinación de paredes, ángulos de ataque de viento, velocidad del viento.Dentro de los resultados cualitativos destacan la identificación de puntos de estancamiento yDentro de los resultados cualitativos destacan la identificación de puntos de estancamiento yrecirculación del flujo de viento, lo cual generalmente no se identifica en pruebasexperimentales de túnel de viento. Se concluye presentando gráficas que permitencomprender el aspecto aerodinámico del tablero de puente tipo dovela, también se presentanp p p p pexpresiones que permiten determinar coeficientes de arrastre y sustentación en función delángulo de ataque de viento y número de Reynolds.

CONTENIDO

• ANTECEDENTES

• TUNEL DE VIENTO

• MODELOS DE TURBULENCIA DISPONIBLES EN ANSYS• MODELOS DE TURBULENCIA DISPONIBLES EN ANSYS

• ELECCIÓN Y DISCRETIZACIÓN DEL DOMINIO DE CÁLCULO

• ESTUDIOS PRELIMINARES

• ESTRUCTURAS ESTUDIADASESTRUCTURAS ESTUDIADAS

• CONCLUSIONES

ANTECEDENTE

• Incidencia de viento en estructuras con características geométricasgparticulares.

• Velocidades de viento en régimen laminar y turbulento.

• Necesidad de realizar pruebas experimentales en túnel de viento.

• Dinámica de Fluidos Computacional (Computational Fluid Dynamic, CFD):p ( p y , )Análisis de sistemas que involucran flujo de fluidos mediante simulación numéricabasada en computadoras (Verstieg y Malalasekera, 1995).

Método exacto: Simulación directa (Direct Numerical Simulation DNS o DN) Método exacto: Simulación directa (Direct Numerical Simulation, DNS o DN).

Simulación de vórtices a gran escala (LES). Se simulan únicamente las grandesescalas del flujo.j

Modelos estadísticos.

• Ingeniería de Viento Computacional (del inglés Computational Wind Engineering• Ingeniería de Viento Computacional (del inglés, Computational Wind Engineering,CWE). Consiste en aplicar las técnicas desarrolladas en la CFD que permitan reproduciradecuadamente la interacción viento-estructura, ya sean velocidades en régimen laminaro turbulento como los huracanes, en condiciones estacionarias o no estacionarias.

Túnel de viento real

Sección de prueba

(Fuente: www.tecnoedu.com)

Conjunto de ventiladores queintegran un túnel de viento (túnel(Fuente: www.tecnoedu.com) de viento UAM-A)

Túnel de viento virtual (3D)

Esquema del dominio de cálculo y condiciones de frontera para una seccióncilíndrica circular (García, 2008).

Túnel de viento virtual (2D)

Esquema del dominio de cálculo y condiciones de frontera para los tableros depuentes (Álvarez, 2004)

Flujo turbulento

Velocidad instantánea:

, , ,v v t x y z

1 t t

Velocidad de tiempo ajustado: 0

1 , , ,ot t

tv vdt v t x y z

t

Componente fluctuante: 'v v v Componente fluctuante: v v v

0' ' 0

t t

tv v dt

Ecuaciones de variación de tiempo ajustado(restringidas a flujo de fluidos incompresibles)

Proceso de transformación a partir de las ecuaciones de variación:

1.Sustituir valores instantáneos por promedio mas fluctuante:'

'x x xv v v

P P P

2. Ajustar la ecuación en el tiempo: ecuación de continuidad y ecuación de movimiento

´ ´ ´ ´ ´ ´Rx x x x y x zv v v v v v

x y z

Esfuerzos promedios yx y z de Reynolds

´vViscosidad turbulenta x

x y tv

v vy

Modelo de cero ecuaciones (ZE): 2 x xx y

v vv v l

y y

xx y t

vv v

y

2 x

tv

ly

ó

0 4l

valor dadol

l = k (k constante de turbulencia de Von Karman y enocasiones vale 0.4).

n

c

0.4lmin

0.09ll

)ln = distancia más corta a una paredlc = longitud de escala característica (valor más grandede ln encontrado)

MODELOS DE TURBULENCIA DISPONIBLES EN ANSYS

Modelo de turbulencia

K epsilonEddy Viscosity Transport

K‐epsilonEquation

Shear Stress Transport

BSL

BSL Reynolds Stress BSL EARSM*

SSG Reynolds Stress LRR Reynolds Stress

K‐epsilon EARSM QI Reynolds Stress

SAS SST Omega Reynolds Stress

Detached Eddy*

Detached Eddy Simulation*

LES Smagorinsky*

Zero equation LES WALE*

RNG K il LES D i d l*RNG K‐epsilon LES Dynamic model*

K‐Omega** No incluidos en ANSYS 11

Elección del dominio computacional (Murakami y Mochida, 1995; Chen yXu, 1998; Ishihara, 2002; Álvarez, 2004).Xu, 1998; Ishihara, 2002; Álvarez, 2004).

• Aproximación del dominio físico del problema.p p

• No existe hasta el momento un criterio estándar para definir el tamaño deldominio.

• Unas de las primeras estimaciones que deben realizarse para problemas decarácter general es el ancho, y este debe elegirse de tal forma que estésuficientemente alejado para que no afecte la solución cerca del obstáculo. Siel dominio es demasiado grande, el tiempo de cálculo se puede incrementarsin que los resultados varíen significativamente. Para estructuras civiles la

d ió d d i i d áli i difi l d bid lrecomendación de un dominio de análisis se dificulta debido a la granvariedad en las características geométricas y de material.

y

x

z

Esquema del dominio de cálculo y condiciones de frontera para lostableros en estudio (Álvarez, 2004).

10, 7L HB D

Discretización del dominio de cálculo

• Es necesario conocer las características que se pretenden reproducir en elmodelo de análisis. Se deben realizar modelos con diversas configuraciones yg yobservar los resultados obtenidos que representen de manera adecuada elfenómeno eólico.

• Cuando se esperan gradientes importantes, capas límites adversas o zonas detransición, la malla debe ser suficientemente fina en tales regiones.

í• Se recomienda utilizar malla no estructurada, especialmente en geometríascomplejas dado que no se sabe a priori la distribución de presiones, zonas derecirculación y puntos de estancamiento que en general permiten identificarl t i t t l t t j t i tlos puntos importante en la estructura sujeta a viento.

ESTUDIOS PRELIMINARES

fuerzas inercialesfuerzas viscosase

ULR

Visualización de líneas de corriente en una sección circular

fuerzas viscosas

Estudios preliminares: Puente GBEB

Distribución de presiones 5e(R 1 10 )x

Discretización del dominio de cálculoen el modelo G1 (Great Belt Easten el modelo G1 (Great Belt EastBridge) en Noruega. Distribución de

viento incidente

Comparación resultados: Puente GBEB

SECCIÓN EN ESTUDIO (I)

DOVELA DE COMPENSACIÓN (DC)

DOVELA PRINCIPAL

Corte longitudinal Definición de la inclinación de lasCorte longitudinal Definición de la inclinación de las paredes laterales ()

Sección trasversal

Definición del ángulo de ataque del viento ()

Sección transversal típica de puente con tablero tipo dovela

Consideraciones en el modelado del viento

2 3 = 0.0000191N.s/m2 y = 1.2 kg/m3, que corresponden a una temperaturapromedio de 35 º C.

Di ió áli i 2D (bidi i l)Dimensión: análisis 2D (bidimensional)Forma del elemento: triangular (tres nodos), elemento FLUID 141Grados de libertad: velocidad del fluido (Vx,Vy,Vz), presión, temperatura, energíacinética turbulenta disipación de energía turbulentacinética turbulenta, disipación de energía turbulenta.

Tipo de malla y elemento finito implementados en los modelos numéricos

Visualización de resultados

Resultados cualitativos en la dovela estudiada con inclinación de pared dedovela de = 15º, = 0º , Re = 10.

= 15º = 0º

Resultados cualitativos en la dovela estudiada con inclinación de pared dedovela de =15 y 0º , = 40º , Re ≥9x106.

Determinación de coeficientes aerodinámicos estáticos

V

F

21

dd

FC

V H

Fd 2V H

Fl

21

ll

FC

V B

V

2V B

1 t

mM

C

VMt

2 212V B

1

1.2

1.4

Cd

1

1.2

1.4

Cd

0 4

0.6

0.8

1

0 4

0.6

0.8

1

0

0.2

0.4

Cl Cm0

0.2

0.4

Cl Cm

=0º1.7

-0.21.00E+01 1.00E+02 1.00E+03 1.00E+04 1.00E+05 1.00E+06 1.00E+07 1.00E+08

Re

-0.21.00E+01 1.00E+02 1.00E+03 1.00E+04 1.00E+05 1.00E+06 1.00E+07 1.00E+08

Re

=0º.

1.1

1.3

1.5

Cd

0.5

0.7

0.9

Cl

Coeficientes aerodinámicos estáticoscuando B = 16.9 m, H = 2.7 m, = 15 o, = 0o , 0≤Re≤1x108 .

0.1

0.3

1.00E+01 1.00E+02 1.00E+03 1.00E+04 1.00E+05 1.00E+06 1.00E+07 1.00E+08

ReCm =20º.Cm 0

• Cuando = 35 y 65º, con 0.39

0.4= 65o

0.39

0.4= 65o

= 15º, se observa que losvalores divergen, perocuando esaproximadamente 38º los0 37

0.38

0.39

0 37

0.38

0.39

valores comienzan aaumentar hasta alcanzar losvalores mostradoscorrespondientes a

0 35

0.36

0.37

m 0 35

0.36

0.37

m

= 65º.

• Lo anterior justifica en parte0 33

0.34

0.35Cm

65o0 33

0.34

0.35Cm

65o la falta de datossuficientemente generalesde secciones de puentes.

0 31

0.32

0.33 = 65o

0 31

0.32

0.33 = 65o = 35o

• Valores difíciles de obteneren pruebas de túnel deviento.0.3

0.31

1.00E+01 1.00E+02 1.00E+03 1.00E+04 1.00E+05 1.00E+06 1.00E+07 1.00E+08

Re

0.3

0.31

1.00E+01 1.00E+02 1.00E+03 1.00E+04 1.00E+05 1.00E+06 1.00E+07 1.00E+08

Re

Variación de coeficientes de momento cuando = 35º y 65º

1.5

2

0.4

0.6

0

0.5

1

Cd

0

0.2

-1

-0.5

0-100 -50 0 50 100

-0.2

-100 -50 0 50 100

Cm

-1.5

en grados

-0.6

-0.4

1.5

-0.8

en grados0.5

1

-1

-0.5

0-100 -50 0 50 100

Cl

Coeficientes aerodinámicos estáticos Cd,Cmy Cl para -90≤ ≤90, para Re≥9x106, y = 0,5,10 y 15o .

-2

-1.5

en grados

0,5,10 y 15 .

1

1.5

0

0.5

-100 -50 0 50 100

Cl

1.71

-1

-0.5

C

1.51

1.61

Cd Cl

-2

-1.5

en grados

1.41Cd

Cd - Cl

Cl max

Cd max

en grados

1.21

1.31

Coeficientes de momento (C ) para1.11

-0.5 0 0.5 1 1.5

Cl

Coeficientes de momento (Cm) paraRe≥9x106, cuando =0, 5, 10, 15º.

Relación Cd vs. Cl para =15º

ó

1.5

2

H

0.16HB

Universidad Autónoma del Carmen

0.5

1B

-0.5

0-100 -90 -80 -70 -60 -50 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

-1.5

-1 CdClCm

-2

en grados

Coeficientes aerodinámicos estáticos en función del ángulo de ataque delviento, cuando = 0º.

8 5 6 4 4 3 3 2 21 094 10 2 947 10 2 756 10 9 57 10 4 51 10 1 265C x x x x x

90 0O O 7 4 5 3 4 2 2

7 4 5 3 3 2 3

1.094 10 2.947 10 2.756 10 9.57 10 4.51 10 1.265

1.658 10 2.696 10 4.321 10 5.79 10 0.126

1.178 10 2.29 10 1.157 10 7.903 10 0.323

d

l

m

C x x x x x

C x x x x

C x x x x

0 90O O

0.1Dca/da

0.06

0.08d

Dca/dadcl/daDcm/da

0.02

0.04

/d

,Dcm

/d

-0.02

0-90 -80 -70 -60 -50 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90

ca/d

,Dcl

/

-0.06

-0.04

D

-0.08

Derivadas de coeficientes aerodinámicos de una sección del puente.

1 5

2Dcl/da+Ca

0 5

1

1.5

Ca

0

0.5

-90 -80 -70 -60 -50 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90Dcl

/d

+C

-1

-0.5

-1.5

Criterio de inestabilidad aerodinámico

Criterio cuasi - estático de Den Hartog para que comience la inestabilidad por galope:

Criterio de inestabilidad aerodinámico

0

0la

dcc

d

Donde es el ángulo de ataque estático, sin tener en cuenta lasperturbaciones ocasionadas por las oscilaciones del cuerpo.

SECCIÓN EN ESTUDIO (II)

Sección transversal del tablero del puenteSección transversal del tablero del puente

Altura de costilla variable

(+) presiones

( ) i(- )succiones

Altura de costilla variable de H = 0 m – 11.8 m

Discretización de dominio de cálculo para el Puente Texcapa.

COMPARACIÓN DE COEFICIENTE DE ARRASTRE MODELO CON COSTILLA H = 0, 5.8, 11.8 m

.441

1.67

1.811 1.814

1.554

2 INTERVALOSUCEPTIBLEA VIBRACIÓN

1.289 1.12

1

1

1.04

81.261

1.456

1

1.5

0.83

7

0.76

3

1.04

4

0.96

4

0.82

4 1.09

9

0.5

1

CD

MÁXIMOS CD

0.329

-0.0036

-0.0

2

0.02

1

0.15

3

0.48

7

9

-0.003960.173 0.09

0-10 10 30 50 70 90

D

-0.1

04

-0.0

3 9

-0.5

10 10 30 50 70 90

Ángulo de ataque (en grados)

COSTILLA H = 11 8 COSTILLA H = 0 COSTILLA H = 5 8

CAMBIO DE SIGNO

Comparación de coeficientes de arrastre obtenidos para diferentes ángulos deataque para el tramo central del puente Texcapa, México

COSTILLA H = 11.8 COSTILLA H = 0 COSTILLA H = 5.8

CONCLUSIONES

• La geometría del tablero y el ángulo de ataque del viento fueron los dos factoresque influyeron más en la determinación del Cd.

• Los resultados más satisfactorios para el cálculo de Cd se obtuvieron para valoresla retícula no estructurada.

El t ñ d l d i i d ál l i fl l l d l fi i t d t• El tamaño del dominio de cálculo influye en el valor de los coeficientes de arrastre,por lo tanto, se pueden iniciar el modelado con el procedimiento propuesto.

• Colocar costillas en tableros de puentes modifica la distribución de velocidades• Colocar costillas en tableros de puentes modifica la distribución de velocidades,distribución de presiones e incrementa los coeficientes de arrastre a lo largo detablero.

• La variación del Cd para tableros de puentes no es lineal respecto a la geometríadel tablero de puente y el ángulo de ataque del viento.

• Los valores máximos de Cd no corresponden a un ángulo de ataque de = 45°como se menciona en la mayoría de las aplicaciones de la práctica.

• Para secciones de tableros tipo dovela el ángulo de ataque que produce losPara secciones de tableros tipo dovela, el ángulo de ataque que produce losmayores Cd, corresponde a = 40º para un valor dado de velocidad de viento.

• Para secciones de tableros tipo dovela, el ángulo de ataque que produce losmayores Cl, corresponde a = 50º.

• Los valores máximos de Cm se presentaron con = 50º, sin embargo, para unai l id d t l fi i t di i d ≤ 38º t dmisma velocidad tal coeficiente disminuye cuando ≤ 38º y aumentan cuando

> 48º.

• Los valores considerados de en el presente estudio no parecen influir en los• Los valores considerados de en el presente estudio, no parecen influir en losvalores de Cd, Cl y Cm.

• Los valores de Cd, Cl y Cm, máximos no ocurren simultáneamente cuando sed, l y m,consideran diferentes valores de y Re.

Con base en los resultados obtenidos, se concluye que la sección tipo dovelai i di á i d dtiene un comportamiento aerodinámico adecuado.

AGRADECIMIENTOS

• Posgrado en Ingeniería Estructural en la División de Ciencias Básicas eIngeniería de la Universidad Autónoma Metropolitana – UnidadAzcapotzalco, UAM - A

• PROMEP, UNACAR

• Grupo SSC S.A. de C.V.