Análisis de la fatiga inducida por viento en los dominios del tiempo y de la frecuencia

• Autores: Enrique Benítez López, José María Terrés Nícoli
• Localización: Resúmenes de comunicaciones, 2014, ISBN 978-84-89670-80-8, págs. 11-12
• Idioma: español
• Títulos paralelos:
  • Study of wind induced fatigue on structural elements in the time and frequency domain
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• Resumen
  • español

    El desarrollo de nuevos materiales y técnicas de diseño está resultando en estructuras cada vez más esbeltas y flexibles. En estas estructuras, la necesidad del estudio de la acción del viento ha propiciado el desarrollo de metodologías para el estudio de estados límite últimos y de servicio y, en particular, la necesidad de evaluar la fiabilidad frente al estado de fatiga derivado de las vibraciones inducidas por el viento.

    El caso de las vibraciones inducidas por el viento difiere mucho de estas solicitaciones armónicas. Para estructuras sometidas a esta acción, los esfuerzos a los que se verán sometidos los miembros estructurales serán variables con alto grado de aleatoriedad resultante de la naturaleza del viento. Debido a esto, los resultados del análisis clásico de fatiga tendrán una aplicabilidad limitada y habrá que buscar nuevos criterios de diseño.

    El objetivo de esta investigación ha sido el establecimiento de una metodología general para el análisis de fatiga en el dominio del tiempo, capaz de evaluar el daño en miembros estructurales bajo la acción del viento, que considere la naturaleza aleatoria y dinámica del mismo (Figura 1).

    Como caso de estudio se ha llevado a cabo el análisis para un elemento de fachada de las Torres Bicentenario: Dos torres de acero de 65m, con carácter monumental, erigidas por el gobierno de México en la ciudad de Toluca con motivo de la celebración del bicentenario de la independencia de México (Figura 2).

    El cálculo de vida a fatiga ha sido realizado en distintos miembros estructurales aplicando un algoritmo de conteo de ciclos para la respuesta dinámica tensional de cada miembro ante una serie temporal de fuerza de viento, generada a partir de la combinación de registros climáticos (macro-escala) con datos de turbulencia obtenidos en túnel de viento de capa límite (micro-escala). Estos resultados han sido comparados con diversos métodos propuestos en la literatura en el dominio de la frecuencia y muestran que los métodos espectrales, pese a ser una solución rápida para la estimación de la vida, no consiguen dar predicciones suficientemente precisas en comparación con los métodos en el dominio del tiempo, a los que pertenece la metodología propuesta.

  • English

    The development of new materials and design techniques is leading to increasingly slender and flexible structures and associated elements. In these instances, the need to determine the wind effects has required the development of advanced analysis techniques for ultimate and serviceability limit states and, in particular, the evaluation of fatigue induced failure due to wind induced vibration.

    The study of fatigue due to wind induced structural vibrations differs from traditional studies with harmonic loading. For structures subjected to forcing due to naturally occurring turbulent wind, the loading on an individual element or connections is highly random. As such, classic methods of fatigue analysis have a limited applicability and new design criteria are required.

    The objective of the present study is to establish a general methodology for time domain fatigue analysis; capable of evaluating damage associated to individual structural members subjected to random wind induced loading (Figure 1).

    The methodology was developed from a case study of a facade element on the Bicentenario Towers. The two 65m metal towers, are located in Toluca, Mexico (Figure 2).

    The estimation of the member life expectancy due to fatigue was determined for a number of structural elements by applying a cyclic counting algorithm. This assessed the dynamic response of the member due to a wind forcing time series, generated from a combined analysis of the historical climate data at the site (macro-scale) and pressure coefficients obtained from a pressure model of the structure in a boundary layer wind tunnel study (micro-scale). The results of the study are compared with a number of frequency domain methods proposed in the literature. The results suggest the existing spectral methods may be considered as a fast solution for estimating the life expectancy, but may be overly conservative in comparison to the proposed time-domain methodology.