EFECTOS DE VIENTO SOBRE PUENTES DE GRANDES VANOS.


Los puentes más sensibles a los efectos de viento son los puentes colgantes y atirantados, un ejemplo muy claro es del puente Tacoma Narrows, a partir del cual se orientó a investigaciones científicas sobre la aerodinámica de puentes, así también muchos puentes han tenido que rigidizarse contra la acción aerodinámica.
Vientos y puentes de gran luz.
El efecto que el viento puede transmitir al puente puede ser obtenido por medio de la intensidad de la turbulencia que es definida como
I = σ/u
Donde
σ = Desviación estándar de los componentes del viento u (t), v (t) y w (t).
u = Velocidad principal del viento.
El viento induce a inestabilidad y vibraciones excesivas en puentes de vanos grandes. Es muy duro de juzgar si la estructura falla debido a la inestabilidad o la excesiva vibración inducida a elementos clave. El termino aeroelástico enfatiza sobre el comportamiento de los cuerpos deformados, aerodinámico enfatiza la vibración de cuerpos rígidos. Muchos problemas envuelven los dos, deformación y vibración.
La interacción entre las vibraciones de un puente y viento resultan en dos tipos de fuerzas movimiento-dependiente y movimiento independiente.
La ecuación aerodinámica de movimiento es expresado como
[M]{y} + [C] {y} + [K] {y} = {F (y)} md + {F} mi
Donde
[M] = Matriz de masa
[C] = Matriz de amortiguación
[K] = Matriz de rigidez
{y} = Vector de desplazamiento
{F (y)} md = Vector de fuerza aerodinámica
{F} mi = Vector de fuerza de viento de movimiento independiente
Aeroelasticidad.
La interacción fluido-estructura puede dar lugar a diversos fenómenos que reciben el nombre de aeroelásticos, los cuales pueden tener carácter oscilatorio y ser crecientes en el tiempo, en cuyo caso dan lugar a inestabilidades de carácter aeroelástico. Los fenómenos aeroelásticos más importantes descritos en ingeniería de estructuras según Simiu Scanlan, y
Meseguer son:
• Desprendimiento de torbellinos o vortex shedding en terminología inglesa.
• Galope transversal o galloping.
• Galope inducido por una estela o wake galloping.
• Flameo o flutter.
• Bataneo o buffeting.
El fenómeno aeroelástico ocasionado por la generación y desprendimiento de torbellinos o vortex shedding se debe a la separación del flujo del aire por la presencia de un obstáculo, que en ingeniería de puentes será el tablero, y que se caracteriza por el desprendimiento periódico de torbellinos de sentido de rotación alternado llamados vórtices de Von Kármán, que se muestran en la figura.

Generación y desprendimiento de vértices de Von Kármán.
El desprendimiento de torbellinos genera unas fuerzas verticales sobre el tablero cuyo sentido se va alternando, las cuales son la causa de las vibraciones verticales típicas de este fenómeno aeroelástico. En la Figura se muestra un esquema de esta situación. Este tipo de vibraciones aparece a bajas velocidades de viento, dando lugar a problemas de servicio exclusivamente. Una particularidad del desprendimiento de torbellinos es el fenómeno de lock-in que se produce cuando la frecuencia a la que se desprenden los torbellinos está próxima a la frecuencia natural de la estructura en la dirección transversal al flujo de aire. En esta situación, el desprendimiento de torbellinos pasa a estar controlado por la frecuencia mecánica y la amplitud de la oscilación es máxima, sin que por ello se alcancen situaciones de inestabilidad.

Oscilaciones verticales en un tablero de puente debido al desprendimiento de torbellinos.
Aunque los fenómenos aeroelásticos se han manifestado generalmente en puentes colgantes o atirantados, debido a su gran ligereza, recientemente se ha producido algún caso en puentes de otra tipología, que presentaban también gran flexibilidad. En el caso de vortex shedding merece la pena comentar los movimientos de esta naturaleza que sufre el puente Trans-Tokio Bay Crossing. Se trata de un puente que cruza la bahía de Tokio, el cual consiste en una viga continua en cajón realizada en acero. No se trata, por lo tanto, de un puente colgante o atirantado. Su longitud total es de 1630 m y los dos vanos de mayor longitud tienen 240 m cada uno, siendo la anchura total de la sección transversal de 22,9 m.
Durante la fase de diseño se realizaron varios ensayos de modelos seccionales en túnel de viento, así como sobre un modelo del puente completo. Estos trabajos experimentales pusieron de manifiesto el previsible desarrollo de vibraciones verticales debido a la generación de torbellinos al tiempo que permitieron descartar la posibilidad de que se produjese el fenómeno de galloping en la estructura.

EFECTOS DE VIENTO SOBRE PUENTES DE GRANDES VANOS. Rating: 4.5 Diposkan Oleh: Ing. Civil

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