Simulación de ráfagas de viento y sus efectos sobre estructuras flexibles

Abstract

This work describes the main parameters that influence eolic actions, among these, the laws of variation of the speed with height, the turbulence indexes and wind spectra that propose the following codes: ASCE7-98 (United States), AS1170.2-89 (Australia), NBC-1995 (Canada), RLB-AIJ-1993 (Japan), Eurocódigo-1993 (Europe), RCDF-NTC-2004 (Mexico) and MDOC- 1993 (Mexico). Two simulation techniques of wind histories are presented as a function of the mean velocity and wind spectrum. The used spectra are from the proposed codes and standards previously described. In a first method, wind histories are generated into different heights by Fourier series, based on a power spectral density function. In second method, the wind histories of different heights are obtained simulating large and small gusts, based on a proposed wind spectrum (Davenport or Harris). In both techniques it is verified that standard deviation of the simulation corresponds to the standard deviation of the power spectrum. The along wind velocities are obtained from the mean speed and gusts speed. The along wind velocities are applied to a structure to obtain the “gust loading factor” (FAD) for displacement, shear force and overturning moment. The structure is represented as a system of n degree of freedom, by means of concentrated masses where the effect of inertial forces is simulated on the structure when this is excited by the along wind. The response of the system is obtained through the modal superposition method where the contribution of superior modes is considered.

En este trabajo se describen los principales parámetros que influyen en las acciones eólicas, entre estos, las leyes de variación de la velocidad con la altura, los índices de turbulencia y espectros de densidad de potencia que proponen los siguientes códigos: ASCE7-98 (Estados Unidos), AS1170.2-89 (Australia), NBC-1995 (Canadá), RLB-AIJ-1993 (Japón), Eurocódigo- 1993 (Europa), RCDF-NTC-2004 (México) y MDOC-1993 (México). Se presentan dos técnicas de simulación de la acción turbulenta del viento en función de la velocidad media y de un espectro de densidad de potencia. Se utilizan los espectros de densidad de potencia propuestos en los códigos y reglamentos descritos anteriormente. En un primer método se generan ráfagas de viento en un intervalo de tiempo y a diferentes alturas por medio de series de Fourier, con base en un espectro de densidad de potencia. En el segundo método las ráfagas de viento en cualquier tiempo t y a diferentes alturas se obtienen simulando ráfagas grandes y pequeñas, con base en un espectro de densidad de potencia propuesto (Davenport o Harris). En ambas técnicas se verifica que la desviación estándar de la simulación corresponda a la desviación estándar del espectro de potencia. Las velocidades longitudinales de viento se obtienen con la velocidad media y la velocidad de ráfagas. Las velocidades longitudinales se aplican a una estructura y se obtiene el Factor de Amplificación Dinámico (FAD) para desplazamiento, fuerza cortante y momento de volteo. La estructura se representa como un sistema de n grados de libertad, mediante el método de las masas concentradas, en donde se simula el efecto de las fuerzas inerciales que tiene la estructura cuando ésta es excitada por los vientos longitudinales. La respuesta del sistema se obtiene mediante el método de superposición modal en donde la contribución de los modos superiores es considerada.