Análisis del efecto aeroelástico en la vibración transversal de estructuras sometidas a la acción del

164 Pages·2009·1.49 MB·Spanish

UNIVERSIDAD NACIONAL DE CUYO
FACULTAD DE INGENIERÍA

MAESTRÍA EN INGENIERÍA
ESTRUCTURAL

ANÁLISIS DEL EFECTO AEROELÁSTICO
EN LA VIBRACIÓN TRANSVERSAL DE
ESTRUCTURAS SOMETIDAS A LA ACCIÓN
DE VIENTO

TESIS DE MAESTRÍA EN INGENIERÍA
ESTRUCTURAL

Eduardo TOTTER
ANÁLISIS DEL EFECTO AEROELÁSTICO EN LA
VIBRACIÓN TRANSVERSAL DE ESTRUCTURAS
SOMETIDAS A LA ACCIÓN DEL VIENTO

Eduardo Totter

Ingeniero Civil
Universidad Nacional de Cuyo

Tesis presentada en parcial cumplimiento para la obtención del
grado académico de :

Magíster en Ingeniería Estructural

Dirigida por

Dr. Ing. Daniel Ambrosini

Instituto de Mecánica Estructural y Riesgo Sísmico
Facultad de Ingeniería
Universidad Nacional de Cuyo

Mendoza, Diciembre de 2008.

"Tanta forza si fa con la cosa incontro all’aria,
quanto l’aria incontro alla cosa."

L
eonardo Da Vinci (1452-1519).

Dedico este trabajo a Alvarito ...
Tesis de Maestría en Ingeniería Estructural Facultad de Ingeniería
Universidad Nacional de Cuyo

Análisis del efecto aeroelástico en la
vibración transversal de estructuras
sometidas a la acción del viento.

Resumen

Se presenta en este trabajo, el desarrollo de un modelo de análisis de las
vibraciones transversales por desprendimiento alternado de vórtices, de una estructura
sometida a la acción del viento. La formulación teórica del problema incluye la
consideración de la influencia del efecto aeroelástico o interacción fluido-estructura.
El modelo teórico desarrollado, se implementa en forma computacional a los
efectos de obtener la herramienta de trabajo adecuada para los estudios numéricos a
realizar.
Con esta implementación, se realiza un amplio estudio numérico, a los efectos
de validar el modelo desarrollado, y contrastarlo con datos experimentales obtenidos
de mediciones realizadas en estructuras reales o modelos estudiados en túneles de
viento, disponibles en la literatura especializada.

El trabajo incluye una descripción del estado del arte del tema estudiado, a los
efectos de establecer un análisis comparativo de los métodos existentes, con especial
atención en el problema de vibraciones transversales por desprendimiento de vórtices,
interacción fluido-estructura o efecto aeroelástico y posibles efectos de inestabilidad
aerodinámica.

I
Tesis de Maestría en Ingeniería Estructural Facultad de Ingeniería
Universidad Nacional de Cuyo

Analysis of across wind aeroelastic
fenomena on structures subjected to wind
loads.

Abstract

In this work, a development of a dynamic analysis model of structures subjected
to across wind loads by vortex shedding is presented. The model is formulated taken
into account the aeroelastic phenomena or fluid-structure interaction.

The theoretical model developed is incorporated in a computational software in
order to obtain the numerical tool used in the analysis.

A wide numerical study is carried out in order to validate the model and the
numerical tool and to compare the obtained results versus experimental data provided
by full-scale measurements or wind tunnel models.

The work includes a state of art description to establish a comparative analysis
between the different types of general methods, particularly the across response by
vortex shedding, aeroelastic effect and aeroelastic instability.

II
Tesis de Maestría en Ingeniería Estructural Facultad de Ingeniería
Universidad Nacional de Cuyo

AGRADECIMIENTOS

Luego de haber permanecido algunos años, alejado de la Facultad de Ingeniería
en la cual me había formado en esta hermosa e interesante profesión de Ingeniero Civil,
surgió la posibilidad de ingresar a la nueva Maestría en Ingeniería Estructural que se
estaba creando en la Facultad. La propuesta en un primer momento parecía difícil,
complicada y las dudas e incertidumbres eran muchas y muy variadas. Es por esto que
quiero agradecer en primer lugar a todas aquellas personas que de una u otra manera,
me apoyaron y alentaron para que comenzara a transitar este camino que hoy está más
cerca de llegar a su fin.

Deseo expresar además mi más sincero y profundo agradecimiento al Director
de mi Tesis de Maestría en Ingeniería Estructural, Dr. Daniel Ambrosini. Él supo guiar
con sus consejos oportunos, su dedicación y su paciencia el desarrollo de este trabajo,
haciendo que el mismo haya resultado sumamente enriquecedor, tanto desde el punto de
vista académico como del personal.

Un párrafo importante merece mi agradecimiento hacia la totalidad del cuerpo
de profesores de la Maestría en Ingeniería Estructural. Nos enseñaron a lo largo de los
distintos cursos compartidos con ellos, no solo los conocimientos necesarios para
cumplir con determinados contenidos, sino también el valor del esfuerzo, de la
dedicación y del trabajo diario en busca de un objetivo. Lo hicieron con gran voluntad,
paciencia, fuerza y esmero en su tarea, enriqueciendo y mejorando de esta manera el
proceso de enseñanza-aprendizaje.

Hay un grupo de personas que fueron muy importantes a lo largo del camino
recorrido. Ellos fueron los estudiantes de esta Maestría. Conformaban un grupo de
trabajo, de estudio, de compañerismo y de amistad, que tomando con buen humor todas
las situaciones en las que participábamos, hacían más fácil y llevaderas las mismas.
Expreso por tanto mi agradecimiento por los momentos compartidos a Gonzalo, Daniel,
Marcelo, Alberto y Raúl.
III
Tesis de Maestría en Ingeniería Estructural Facultad de Ingeniería
Universidad Nacional de Cuyo

Deseo agradecer también a la Secretaría de Ciencia, Técnica y Postgrado de la
Universidad Nacional de Cuyo y al Comité Académico de la Maestría en Ingeniería
Estructural, por las Becas otorgadas en cada caso, que ayudaron para la realización de
estos estudios. Hago extensivo además mi agradecimiento a la Facultad de Ingeniería de
la Universidad Nacional de Cuyo, que albergó con toda su estructura a la Maestría en
Ingeniería Estructural y que de una u otra manera ha sido mi segundo hogar durante
muchos años.

Por último deseo agradecer especialmente a mi familia por todo el apoyo
brindado, sin el cual no hubiera podido ser posible la concreción de este trabajo.

IV
Tesis de Maestría en Ingeniería Estructural Facultad de Ingeniería
Universidad Nacional de Cuyo

Í
ndice General

Resumen I
Abstract II
Agradecimientos III
Índice V
Listado de figuras IX
Listado de Tablas XII
Notación utilizada XIII

Capítulo 1: Introducción

1.1 - Definición general del problema a tratar 1
1.2 - Algunas consideraciones preliminares 3
1.3 - Análisis de estructuras sometidas a cargas de viento 5
1.4 - Objetivos básicos 7
1.5 - Hipótesis principales de trabajo. 8
1.6 - Contenido de la tesis 9
1.7 - Notación utilizada 13

Capítulo 2: Conceptos principales y antecedentes

2.1 - Introducción 14
2.2 - Acción del viento sobre una estructura 16
2.2.1 Cargas de viento en la ingeniería civil 16
V
Tesis de Maestría en Ingeniería Estructural Facultad de Ingeniería
Universidad Nacional de Cuyo
2.2.2 Características principales del viento atmosférico 19
2.2.3 Descripción general de los métodos disponibles para el análisis de 21
estructuras sometidas a acciones de viento
2.2.4 Líneas de investigación en la materia 23
2.2.5 Factores que influyen en el comportamiento de una estructura sometida a 26
cargas de viento
2.2.6 Distintos efectos generados sobre una estructura por una corriente de aire 28
incidente sobre ella.
2.3 - Fenómeno aeroelástico o interacción fluido-estructuras 35
2.4 - Principales antecedentes. 37
2.4.1 Introducción 37
2.4.2 Desarrollo del estado del arte 38

Capítulo 3: Desarrollo del modelo aeroelástico

3.1 - Modelo estructural y ecuaciones de movimiento del problema dinámico 51
3.1.1 Introducción 51
3.1.2 Planteo de las ecuaciones de movimiento 52
3.1.3 Resolución del sistema planteado 54
3.2 - Acciones laterales generadas por desprendimiento alternado de vórtices 60
3.3 - Procedimiento de simulación de los registros de velocidades de viento 63
incidente sobre la estructura en estudio.
3.4 - Consideración del efecto aeroelástico en el modelo que representa el 67
problema
3.4.1 Introducción 67
3.4.2 Desarrollo de la formulación que tiene en cuenta el efecto aeroelástico o 67
interacción fluido-estructura.
VI