Análisis del comportamiento aeroelástico de estructuras en túnel de viento con modelos reducidos

Abstract

Las estructuras civiles esbeltas con bordes cortantes sometidas a cargas de viento pueden vibrar en diversos grados de libertad en función de sus modos y frecuencias fundamentales de oscilación. Cuando las frecuencias de las cargas fluctuantes provocadas por el viento son cercanas a estos valores se produce el efecto de resonancia, donde incluso cargas fluctuantes de pequeña magnitud pueden generar respuestas oscilantes de gran amplitud, a veces con efectos destructivos como lo observado en el colapso del puente Tacoma Narrows (Estados Unidos, 1940)[1 ]. Este trabajo plantea el desarrollo y optimización de técnicas experimentales de identificación en conjunto con modelos de mecánica computacional que permitan la caracterización y cuantificación de fenómenos de la interacción de fluidos escurriendo sobre cuerpos oscilantes, de bajo aspecto aerodinámico y de bordes cortantes, realizado a través de ensayos de modelos a escala reducida en túnel de viento de estas estructuras, manteniendo leyes de semejanza geométrica, cinemática y dinámica entre modelos y prototipos. Con el uso de programas de diseño y simulación, se desarrolla un modelo seccional de un tablero puente bajo cargas de viento, medido en una balanza dinámica, reproduciendo dimensiones del puente Guamá, Río Guamá, Cuba. Resultados obtenidos de la simulación permiten implementar el modelo físico en el túnel de viento Jacek P. Gorecki del Laboratorio de Aerodinámica de la Facultad de Ingeniería (UNNE)[2], donde se reproducen frecuencias modales independientes, correspondientes a los desplazamientos vertical (sustentación) y de torsión alrededor del eje longitudinal respectivamente, comparando los resultados obtenidos en ambos métodos y con los de bibliografía disponible.

Slender, shear-edged civil structures subjected to wind loads can víbrate in varying degrees of freedom, in fundamental modes and frequencies of oscillation. Fluctuating frequencies contained in the wind, even small magnitude fluctuating loads, generate large amplitude oscillating responses. This work proposes the development and optimization of experimental identification techniques complemented with computational mechanics models, which allow the characterization, quantification and deepening of knowledge of the phenomena caused by the interaction of fluids flowing over oscillating bodies with cutting edges. The study is based on tests of reduced scale models of these structures in atmospheric wind tunnels, maintaining the laws of geometric, kinematic and dynamic similarity between model and prototype.With the use of design and simulation software, a sectional model of a bridge deck under wind loads, supported on a dynamic measuring balance, was previously developed and modeled according to real bridge dimensions. The implementation of the physical model of the bridge deck in the Jacek P. Gorecki wind tunnel of the Aerodynamics Laboratory, Faculty of Engineering (UNNE), reproduces the geometrical and dynamic configuration of the fundamental modal shapes of vibration in two degrees of freedom, corresponding to the vertical displacement (lift) and torsión around the longitudinal axis. Measurements of critical velocity, longitudinal and torsional displacements, frequencies and modes of the mass scaled model, stiffness and damping, show concordant results compared with those observed in prototype and specialized literature.