Effects of wind load on ‘E’ plan shaped tall building under interference conditions

El viento es una fuerza invisible que empuja constantemente contra las estructuras en las que vivimos, pero su comportamiento cambia drásticamente cuando los edificios se encuentran cerca unos de otros. En los cielos congestionados de las ciudades modernas, donde el espacio es un bien escaso, los arquitectos a menudo diseñan torres con formas complejas e irregulares para que quepan más espacios habitables en una parcela pequeña. Aunque los ingenieros han comprendido durante mucho tiempo cómo golpea el viento a una torre única y aislada, la física se vuelve mucho más complicada cuando un edificio se encuentra cerca de otro. La presencia de un vecino puede bloquear el viento, canalizarlo a través de brechas estrechas o crear bolsas de aire giratorias que ejercen presiones inesperadas sobre la estructura principal. Comprender estas interacciones es crítico para la seguridad, ya que las cargas de viento en un edificio en un grupo denso pueden ser significativamente diferentes de las de una torre solitaria, lo que podría provocar un fallo estructural si no se calculan adecuadamente.

Los investigadores Sumanta Mandal y Sujit Kumar Dalui, del Instituto Indio de Ciencia e Ingeniería de Tecnología en Shibpur, se propusieron investigar estas fuerzas ocultas sobre una forma arquitectónica específica y compleja: un edificio alto con una planta en forma de "E". Esta forma, que se asemeja a la letra E, presenta doce caras distintas que pueden recibir el viento desde cualquier dirección. Para entender cómo se comporta esta forma cuando está rodeada de otros edificios, el equipo combinó dos métodos poderosos. Primero, construyeron un modelo físico del edificio en forma de "E" y lo colocaron en un túnel de viento, una gran cámara de laboratorio donde se sopla aire a velocidades controladas para simular tormentas del mundo real. Midieron las fuerzas reales y los momentos de torsión que actuaban sobre el modelo. Segundo, utilizaron una técnica de simulación informática sofisticada conocida como dinámica de fluidos computacional. Este método crea un túnel de viento virtual, lo que les permite modelar el flujo de aire con extrema precisión y probar escenarios que serían difíciles o imposibles de replicar físicamente.

El estudio se centró en cómo cambia la carga del viento cuando dos edificios más pequeños, de forma cuadrada, se colocan cerca del edificio principal en forma de "E". Los investigadores probaron estos vecinos interferentes a varias distancias, que iban desde una proximidad muy cercana hasta varias anchuras de edificio de distancia. También rotaron la dirección del viento, probando ángulos desde cero hasta ciento ochenta grados para ver cómo reaccionaba el edificio cuando el viento lo golpeaba de frente, de lado o por la esquina. El objetivo era determinar un valor específico llamado factor de interferencia, que compara la presión del viento en el edificio principal cuando está solo frente a cuando está rodeado de vecinos. Si este factor es mayor que uno, el vecino está empeorando la carga del viento; si es menor que uno, el vecino está en realidad protegiendo al edificio principal del viento.

Los experimentos y las simulaciones revelaron que la distancia entre los edificios y el ángulo del viento son los factores más críticos. Cuando los edificios interferentes se colocaban muy cerca de la estructura principal en forma de "E", el comportamiento del viento cambiaba drásticamente. En algunas situaciones específicas, la presencia de un vecino aumentó de hecho la presión del viento en ciertas caras del edificio principal por un margen significativo. Por ejemplo, cuando el viento golpeaba en un ángulo de treinta grados, un vecino colocado a trescientos milímetros causó que la presión en una cara específica se duplicara con creces en comparación con cuando el edificio estaba solo. Por el contrario, en otras configuraciones, los edificios vecinos actuaron como un escudo, reduciendo la presión del viento sobre la estructura principal. Los investigadores descubrieron que cuando los edificios interferentes se colocaban a una distancia de tres mil milímetros, la carga del viento en el edificio principal volvía al mismo nivel que si estuviera completamente solo, lo que indica que, más allá de esta distancia, los vecinos ya no influían en las fuerzas del viento.

Uno de los hallazgos más sorprendentes fue el descubrimiento de los efectos de "canalización". Cuando el viento soplaba directamente hacia el hueco entre el edificio principal y un vecino, el aire era forzado a través del estrecho espacio, acelerándose a medida que se comprimía al pasar, lo que creaba un aumento localizado en la velocidad y la presión del viento que no existiría si el edificio estuviera aislado. Por otro lado, cuando el viento golpeaba el lateral del edificio interferente, creaba un bloqueo que reducía la velocidad del viento que llegaba al edificio principal, disminuyendo efectivamente la fuerza que este tenía que soportar. El estudio también identificó caras específicas del edificio en "E" que eran particularmente vulnerables. Por ejemplo, en ciertos ángulos de viento, la interferencia causaba un efecto de succión en las caras traseras, tirando del edificio hacia afuera en lugar de simplemente empujarlo. Estos valores de presión negativa, que indican una fuerza de tracción, resultaron ser significativos y variaban dependiendo de qué tan cerca estuvieran los vecinos.

Los investigadores validaron sus modelos informáticos frente a las pruebas físicas en el túnel de viento y encontraron una fuerte concordancia entre ambos, con errores que generalmente se mantuvieron por debajo del quince por ciento. Esta confirmación les dio confianza para utilizar las simulaciones por computadora para explorar una amplia gama de distancias y ángulos. Los datos mostraron que la fuerza máxima que experimentaba el edificio ocurría cuando el viento le daba de frente, mientras que la fuerza mínima ocurría cuando el viento venía de lado. Sin embargo, la presencia de vecinos desplazó estos valores. En el caso más extremo de interferencia, la fuerza sobre el edificio principal cayó a una fracción de lo que sería en aislamiento, mientras que en otros casos, aumentó repentinamente. El estudio concluyó que, para el edificio específico en forma de "E" analizado, la influencia de las estructuras vecinas es altamente localizada. Una vez que la distancia entre los edificios supera un cierto umbral, las interacciones complejas se desvanecen y el edificio se comporta como si estuviera en un campo abierto. Este mapeo preciso de cómo cambian las fuerzas del viento con la distancia y el ángulo proporciona datos esenciales para los ingenieros que diseñan edificios altos e irregulares en entornos urbanos densos, asegurando que se construyan para resistir las fuerzas únicas y a menudo impredecibles del viento de la ciudad.