Applied And Interdisciplinary Physics">
TESIXXX
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FACULTAD DE INGENIERÍA
PROYECTO DE TESIS
INDUSTRIAL DE 1800 m2 ”
PRESENTADO POR:
ASESOR:
R.D.N:
619-2021-UNS-FI
2022
2
DEDICATORIA
3
AGRADECIMIENTO
4
INDICE
I. GENERALIDADES.......................................................................................................8
1.1 Título.......................................................................................................................8
1.2 Autor........................................................................................................................8
1.3 Asesor......................................................................................................................8
1.6 Localidad.................................................................................................................8
1.9 Recursos:...............................................................................................................10
1.9.2 Materiales:......................................................................................................10
1.9.3 Servicios:........................................................................................................11
1.10 Presupuesto............................................................................................................11
1.10.1 Materiales.......................................................................................................11
1.10.2 Servicios.........................................................................................................12
1.10.3 Viáticos..........................................................................................................13
1.11 Financiamiento......................................................................................................13
2.1 Problemática..........................................................................................................13
5
2.1.2 Antecedentes..................................................................................................15
2.3 Objetivos:..............................................................................................................21
2.4.3 Aerodinámica.................................................................................................26
INDICE DE FIGURAS
INDICE DE TABLAS
RESUMEN
El presente trabajo de investigación será de alcance descriptivo y propósito aplicativo.
Tendrá como objetivo general determinar la forma aerodinámica más adecuada para el
techo de una nave industrial de 1800 m2 a través del método de elementos finitos,
analizando dos formas distintas de techo (techo curvo y techo a dos aguas). Para este
caso la muestra estará constituida por la nave industrial de techo curvo de 1800 m2 de
área, en la planta Caratavio Rum Company SA. El instrumento que se utilizará para la
buscará tener los criterios de aerodinámica, para la selección de una nave industrial.
Palabras clave: nave industrial, techo a dos aguas, techo curvo, análisis
ABSTRACT
XXXXXXXXXXXXXX
11
I. INTRODUCCION
Hace ya unos años que la mecánica de fluidos viene obteniendo gran protagonismo
sofisticadas como aviones, helicópteros, barcos, submarinos, etc., hasta los más
Esta creciente demanda es debió al afán del ser humano por querer expandirse en
inimaginados. Debido a ello los embates de la naturaleza son cada vez más duros y
consecuencia de ello, se vio necesario poder reducir las pérdidas materiales y sobre
todo las humanas, que se generan cuando no se tiene en consideración las fuerzas
de la naturaleza, en este caso las del viento, la cual ha demostrado ser muy
Por eso se hará un análisis exhaustivo de la aerodinámica de las estructuras para así
reducir y controlar todos los deterioros materiales que genere un mal manejo de las
mejor manejo de los datos y un buen análisis de los resultados obtenidos a través
I.1 Antecedentes
efectos del viento en naves industriales con cubierta de dos aguas con mecánica de
una nave industrial con techo a dos aguas con una pendiente de 11° con Mecánica
el análisis computacional, con los valores teóricos y numéricos obtenidos por otros
En México, Ortiz (2018), en la tesis titulada “Estudio de los efectos del viento en
donde plantea evaluar el efecto del viento en un edifico irregular alto ante
Ingeniería de la UNAM, con lo cual se buscó tener datos más reales y exactos para
para una empresa metal mecánica” donde identifica los perfiles de mayor
resistencia en las estructuras metálicas, los cuales son apropiados para las partes
más importantes como son las correas, las vigas, etc. Luego identifico las cargas de
viento y de sismo a las que se encuentra sometidas las naves industriales. Este
análisis se realizó con ayuda del software para ingeniería SolidWorks. Finalmente,
I.3 Objetivos:
para los cinco ángulos de ataque del viento (0°, 30°, 45°, 60° y 90°) y las
Determinar las velocidades máximas y mínimas ( v max y v min) para los cinco
ángulos de ataque del viento (0°, 30°, 45°, 60° y 90°) y las distintas alturas
de techo (2 m. , 5 m. y 8 m).
14
Determinar las presiones máximas y mínimas ( Pmax y Pmin) para los cinco
ángulos de ataque del viento (0°, 30°, 45°, 60° y 90°) y las distintas alturas
de techo (2 m. , 5 m. y 8 m).
ataque del viento (0°, 30°, 45°, 60° y 90°) y las distintas alturas de techo (
2 m. , 5 m. y 8 m).
más amplio sobre el proceso de determinación de la forma que puede tener un techo
Con ello se busca que la elección de las fuerzas por viento en el proceso de diseño y
construcción de una nave industrial, sea más segura y más acorde a la realidad.
Obteniéndose valores más cercanos al accionar del viento sobre las estructuras, que
viento, en nuestro caso, túnel de viento virtual, el cual nos proporcionará el software.
concretos y verídicos sobre la correcta elección del techo más adecuado para la
construcción de una nave industrial. Haciendo uso del software de cálculo por túnel de
viento, el cual nos proporcionará los valores adecuados para su análisis y construcción.
15
Esta investigación se desarrollará en una empresa de la zona norte del país (Cartavio,
Perú), la cual nos dará a conocer la realidad del contexto y si realmente es aplicado el
criterio de análisis aerodinámico para la correcta selección del modelo de techo más
adecuado para una nave industrial sometida a las fuerzas del viento. Con lo cual
podremos evitar futuras fallas en los diseños de construcción, la cual nos lleva a gastos
diseño de la nave industrial. Pero sobre todo se pueden evitar posibles y no deseables
se busca controlar o evitar con este estudio. Cabe mencionar que esta investigación no
solo buscará informar sino también ser un material de estudio y motivación para otras
mantenimiento del mismo disminuya, ya que el viento podrá fluir libremente por la
estructura, sin generar esos grandes vacíos que se ocasionan debido a la fuerza del
Estas fuerzas que genera el viento, no serán tan agresivas y permitirán que la
estructura tenga un tiempo de vida útil de mayor duración. Con lo que se genera un
Con este estudio, no solo pretende llegar a las industrias, sino traspasar esas fronteras,
y llegar a las zonas de mayor acopio social, como son las escuelas, mercados, parques,
plazas, losas deportivas y demás ambientes, que necesiten del techado de sus
solo es un tema netamente industrial, sino también social. Puesto que los lugares que
16
de una correcta elección. Buscando con ello, mantener siempre segura la vida
humana.
La acción del viento viene dependiendo de la zona donde el viento incide, la ubicación de
determinadas como fuerzas de viento por cada superficie de incidencia. Al serle impedido
el libre tránsito de la energía cinética del viento por alguna superficie, este genera una
Las succiones y presiones generadas por el viento a las que se encuentran sometidos los
edificios o estructuras, son debido a la acción accidental natural transitoria del viento. Pero
este tipo de acciones, succión y presión, son de suma consideración cuando se trata de
estructuras muy altas y esbeltas, o de muy poco peso. Caso contrario pasa con las
estructuras de baja altura donde las acciones del viento no son tan prejudiciales, pero que
afectan mucho, debido al poco peso que poseen, el levantamiento de la cobertura y el techo
Para el caso de estructuras de acero, las cuales se encuentran más expuestas al viento
debido a su gran área y su poco peso, suelen afectar más las cargas de viento que las cargas
sísmicas. Es más adecuado tratar al viento como una carga estática, aunque su naturaleza
p=C P . C r . q (2.1)
Donde:
17
Cr = Coeficiente que depende de la magnitud de las velocidades de las ráfagas del viento y
de la flexibilidad vertical.
El análisis del viento alrededor de los edificios es un proceso complejo, que no puede darse
de forma sencilla o simple. Estas características, solo pueden ser dadas mediante la
observación directa en casos de tamaño real o en experimentos con túneles de viento real o
a escala. La presión positiva dada en la cara a barlovento viene dándose por la lentitud o
El flujo de viento que se encuentra con este obstáculo, vuelca toda su velocidad a los
extremos de las caras del edificio y del techo. Este flujo llega a separarse del cuerpo del
edificio, debido a las bajas presiones, generando una presión negativa o succión en los
Una gran zona de baja presión de flujo retardado es creada a sotavento del edificio, la cual
distintas de la zona. Pero se establece que los modelos y flujos de viento alrededor de los
La presión es máxima cuando está cerca al centro de la cara donde incide y decae cerca de
las esquinas. Las presiones en los costados o muros extremos no son también uniformes; la
succión más intensa ocurre justamente aguas debajo de las esquinas de barlovento.
Como sucede con todos los fluidos al entrar en contacto con un cuerpo que se atraviese en
su dirección de flujo, este se desvía para rodearlo, generando así fuerzas y presiones sobre
el mismo, tal como se puede ver en la imagen. La fuerza del viento se hace notar, al
golpear de forma directa la superficie que se opone a su libre circulación, esta cara,
llamada a barlovento, recibirá toda la fuerza de empuje que genera el viento; para la cara
opuesta, a sotavento, las estelas del flujo se irán separando del cuerpo, lo que generará una
fuerza contraria de succión sobre la cara expuesta. La suma de estas dos fuerzas dará como
resultante una fuerza de arrastre sobre el cuerpo. Para las caras laterales, la presión se
Figura 1.
Nota: Adaptado de la tesis Efectos del viento sobre las estructuras (p. 86), por Escalante
Al someterse a la fuerte acción del viento las estructuras pueden sufrir daños totales o
parciales. En estos casos las zonas más sensibles a la acción del viento son las coberturas
del techo, ya que pueden llegar a ser levantadas e incluso arrancadas por la fuerza del
viento. Los revestimientos de las fachadas y muros cortina de los edificios pueden ser
afectados por el empuje del viento. En general las grandes ventanas, pues son más
vulnerables a romperse y permitir la entrada del viento y la lluvia. Con ello también se ven
Esta fuerza generada por el viento puede levantar, desprender o romper vidrios o
coberturas. Si bien las normas fijan procedimientos de cálculo adecuados para proteger las
estructuras siempre existen daños por errores de proyecto o fallas constructivas. Existe la
costumbre de utilizar coeficientes que aparecen en las normas que son para estructuras
parecidas a las del proyecto, pero no iguales lo que trae finalmente consecuencias
II.4 Aerodinámica
disminución de la Presión.
P : presi ó n
V :velocidad
C : constante
20
Se refiere a una medida relativa de cuanta resistencia al avance puede generar un cuerpo.
número de Reynolds.
Considerado como la fuerza de presión que puede ejercer un fluido sobre un cuerpo que se
de la cantidad de espacio que pueda dejar el fluido, luego de separarse del cuerpo en
hace el mejor esfuerzo por eliminarlo. La reducción del arrastre está relacionada de manera
El arrastre es generado por la fricción y la presión, es causada por los efectos viscosos del
mucho de la forma del cuerpo que recibe el flujo del fluido. Este arrastre es también
conocido como la fuerza que ejerce un fluido en la misma dirección del movimiento.
1 2
D= C d ρ V A (2.3)
2
Donde:
C d: coeficiente de arrastre.
A : área frontal.
1 2
ρ V : presión dinámica.
2
21
Es la causada por la diferencia de presión entre la zona superior e inferior del cuerpo. Su
neta, debido a las fuerzas viscosas y de presión, que es perpendicular a la dirección del
flujo.
1 2
L= C l ρV A (2.4)
2
Donde:
C l: coeficiente de sustentación.
A : área frontal.
1 2
ρ V : presión dinámica.
2
Figura 2.
Nota: Adaptado de Mecánica de fluido (p. 564), por Y. Cengel y J. Cimbala, 2006.
La capa inmediatamente superior tiene una velocidad relativa al anterior, y de esta forma
cada capa superior tiene una velocidad cada vez mayor, deslizándose unas sobre las otras,
hasta casi alcanzar la velocidad total del fluido. Cuando se acaba la relación entre el fluido
y el sólido, se acaba el movimiento relativo entre las capas del fluido, por esto la velocidad
El aumento de presión genera que el espesor de la capa limite aumente, lo que genera el
impedimento al avance del aire. La presión irá aumentando cuando la corriente siga
avanzando, lo que va generar que las partículas del fluido tengan más dificultad de
Figura 3.
Nota:
Adaptado de Mecánica de fluidos (p. 579), por Y. Cengel y J. Cimbala, 2006. McGraw -
Hill/Interamericana Editores.
7-16
Las edificaciones y todas sus partes deberán ser capaces de resistir las cargas que se les
prescritas y no deben causar esfuerzos ni deformaciones que excedan los señalados para
En ningún caso las cargas empleadas en el diseño serán menores que los valores mínimos
establecidos en esta Norma. Las cargas mínimas establecidas en esta Norma están dadas en
condiciones de servicio. Esta norma se complementa con las Normas propias de diseño de
p.1
La fuerza que ejerce el viento y que actúa sobre el cuerpo se considerará estática y
Donde:
Para calcular las cargas de viento sobre las estructuras, se considerará los siguientes
coeficientes de presión:
En esta oportunidad analizaremos los casos de naves con techo a dos aguas y con techo
parabólico:
Para viento con dirección a la inclinación del techo en grados sexagesimales se usarán:
C = -0.7
siendo C p min=−1.0
C = 0.01(θ) si: 40 ≤ θ ≤ 90
Para los muros se consideran los mismos coeficientes de presión indicados en la siguiente
tabla:
TABLA 5
Nota: Adaptado de Diseño Estructural en Acero (p. 12), por L. Zapata Baglietto, 2013,
McGraw – Hill.
Para viento que actúe normalmente al eje del arco de la cubierta, los coeficientes de
presión serán dados para tres segmentos de arco circular: zona de barlovento (25%), zona
central (50%) y la zona de sotavento (25%). La distribución de la presión del viento para
25
este caso, será dependiendo desde donde inicie la cubierta, entonces se tendrá los
siguientes casos:
Zona de barlovento
C=1.4 (r )
Zona central
C=−r −0.7
Zona de sotavento
C=−0.5
f/H= 0.3
Zona de barlovento:
Alternativas:
para r =0.25
C = -0.6
para r =0.30
C = -0.3
Zona central:
C=−r −0.7
Zona de sotavento:
C=−0.5
26
construcción incluyendo la cubierta; r = f/L. cuando el viento actúe paralelamente aleje del
En el caso de las naves industriales, se considerarán conformadas por dos elementos bien
marcas, uno que es la parte estructural, y la otra la cobertura que es la parte protectora
contra la intemperie. Para cada uno de estos elementos, se tienen las cargas bien definidas,
o igual al 80% en cada muro expuesto al viento. También son aquellas que cumplen
siguientes condiciones:
El área total de aberturas en una pared que recibe una presión externa positiva,
más de un 10%.
27
El área total de aberturas en una pared que recibe presión externa positiva excede el
Si un edificio, ya sea parcial o totalmente cerrado cumple con las siguientes condiciones,
viento para el diseño de naves industriales. Estos procesos serán los descritos a
continuación:
piso.
El túnel de viento se define como una herramienta tecnológica que permite simular el flujo
del viento en modelos a escala. Es una herramienta de uso experimental para casos de
aerodinámica, que busca generar los efectos del flujo del viento sobre un sólido, la cual no
solo se centra en el diseño de los vehículos, sino también en estructuras tan variadas como
28
una casa, una torre, un puente, y un sinfín de elementos y estructuras que están sometidos a
El funcionamiento general del túnel de viento se basa en recrear un flujo de aire a escala
por medio de un ventilador; este flujo deberá de tener características similares al viento que
pruebas el viento incide sobre el modelo, el cual está instrumentado con sensores que
registran las variables que se desean medir. En la zona de pruebas es posible modelar
Los túneles de viento se pueden clasificar de forma general por su funcionamiento en dos
clases:
Los cuales a su vez pueden tener una sección de prueba abierta o cerrada, teniendo de esta
forma cuatro configuraciones posibles. Los túneles de viento de circuito abierto son de
menor tamaño y son más económicos en su construcción; sin embargo, el ventilador debe
análisis, lo cual supone un alto costo de operación. Una ventaja es que debido a que el aire
densidad.
Figura 4.
29
Nota: Adaptado de Túnel de viento. Partes del túnel de viento, por Rodríguez D., 2013,
https://sites.google.com/site/tuneldv/calendar.
Los túneles de viento de circuito cerrado son de mayor tamaño debido a que la
necesaria para vencer la fricción en las paredes teniendo un menor costo de operación. Este
compleja.
Figura 5.
Nota: Adaptado de Túnel de viento. El gran desconocido, por Reflexiones Prohibidas, (s. f.),
http://reflexionesprohibidas.blogspot.com/
La Dinámica de Fluidos Computacional también conocida como CFD por sus siglas en
comportamiento de los fluidos con los cuerpos sólidos. Debido a su gran alcance la
particularmente en ingeniería de viento, ya que se emplea para modelar la acción del viento
que son complejas de replicar a escala en un túnel de viento. Además, tiene la ventaja de
equipo de computación de alto rendimiento para así obtener una mayor precisión en los
datos.
en pocas palabras, es un túnel de viento digital, el cual busca determinar las cargas de
simular flujos de viento alrededor de objetos. Para la simulación se usa una malla de
Figura 6.
Nota: Adaptado de Simulación del viento. Transferencia de cargas de viento, por Dlubal
estructural-independiente/rwind
III.MATERIALES Y METODOS
3.1 Materiales:
Regla (01)
Lapiceros (03)
Tajador (01)
Lápiz (01)
Resaltador (01)
Grapas (01)
Engrapador (01)
Perforador (01)
Borrador (01)
Corrector (01)
Folder A4 (10)
Cuaderno (01)
hace uso de los conceptos y bases teóricas para la aplicación directa a la solución del
RWIND 1.24 aplicando el método de elementos finitos, con la cual se busca realizar
Para la construcción de una nave industrial de 1800 m2, a través del análisis
metodología:
Lo que conlleva primero a modelar dos formas distintas para el techo de la nave
industrial, un techo a dos aguas y uno de forma curva. Luego se procede a evaluar la
velocidad del viento en la zona donde se planea construir la nave industrial, siguiendo
los lineamientos para cálculo de velocidad de viento. Una vez obtenido la velocidad a
través del método de elementos finitos, haciendo uso del software RWIND 1.24, el cual
aerodinámicamente a distintos ángulos de ataque de viento (0°, 30°, 45°, 60° y 90°), a
los dos modelos de techo antes mencionados. Con esta simulación, recolectaremos los
34
cada tipo de techo, curvo o a dos aguas. Con lo cual se verá que forma de techo cumple
con la forma más aerodinámica, con respecto al valor del coeficiente de arrastre.
IV. CÁLCULOS
Para el diseño de la nave industrial se debe tener presente la finalidad para la cual se
construirá. En este caso se busca construir una nave industrial con la finalidad de servir
como almacén de productos terminados, para la empresa Cartavio Rum Company SA., la
necesidad de crear almacenes que le sirvieran para albergar su nueva gran producción.
En consideración a esta nueva demanda por parte del cliente, se pensó en plantear el nuevo
fuerza del viento, debido a sus acciones sobre los almacenes existentes que, a causa de
De acuerdo al terreno asignado para el nuevo almacén, un área de 1800 m2, se tomó en
consideración la forma más aerodinámica que nos pueda proporcionar una nave industrial
de esas dimensiones.
Por ende, se consideró realizar un análisis a las dos formas más comunes de almacenes,
como son las naves industriales con techo a dos aguas y las de techo curvo.
35
Para determinar cuál es la forma de techo más aerodinámica para este caso determinado
que nos pueda proporcionar las dos formas anteriormente mencionadas, se procedió a
Figura 4.1 Naves industriales con techo a dos aguas y techo curvo.
Fuente: Autoría propia.
2. Evaluar dos diseños de nave industrial, techo tipo curvo y techo a dos aguas, a
3. Analizar a distintos ángulos de ataque de viento (0°, 30°, 45°, 60° y 90°) a los dos
viento (V max ), los coeficientes de presión máxima y mínima (C pmax y C pmin), fuerza
5. Obtener cual es el diseño (techo a dos aguas o techo curvo) con mayor coeficiente
de arrastre, C d, a la que puede estar sometida una nave industrial por la fuerza del
viento.
aspectos en la selección de una velocidad de viento, sobre la cual se basan las cargas de
En otro caso, en la tabla 4.1, se puede notar el valor de la velocidad del viento en la
nave industrial.
Para el uso del software RWIND 1.24, la empresa responsable de su desarrollo, brinda
Todos estos casos están basados en los estudios realizados por el SENAMHI, la UNI
variación en los datos, la cual se puede realizar una interpolación para obtener un valor
medio entre estos casos, el cual sirva para poder realizar el análisis aerodinámico de las
naves industriales.
Al realizar la interpolación, se obtiene un valor de 92.4 kph, valor que esta más
próximo al valor dado, 95 kph. Con lo cual se optó por redondear el valor al próximo
37
superior. Por tanto, se asumirá una velocidad de viento en todo el desarrollo de los
Tabla 4.1
Velocidades extremas de viento en Km/h a 10m. sobre el nivel del suelo para periodos de recurrencia de 33,
50 y 100 años.
Para este apartado, se tomó en consideración el análisis solo de dos formas de nave
industrial, las dos más comunes en el rubro industrial, que son las naves con techo
curvo y techo a dos aguas. Para este caso se tomó en consideración una nave
38
industrial cerrada, con un área de 1800 m2, de 60 m. de largo por 30 m. de ancho, tal
En primera instancia procedemos a realizar el modelado del techo en 3d, con sus
Se agrega los datos solicitados por el software RWIND 1.24 para generar los casos
Para el análisis aerodinámico se vio necesario aplicar los casos de carga de viento en
distintos ángulos de incidencia, de los cuales solo se tomó cinco, tal y como se ve en la
siguiente imagen 4.5. Siendo estos ángulos de incidencia los más críticos en el análisis de
Luego se procede a ingresar los datos para los distintos ángulos de ataque,
aerodinámico, se procede a ingresar los valores de la nave industrial, los cuales fueron
Con estos valores se empieza a correr el software RWIND 1.24, donde se detalla el tamaño
Para este estudio se considera la nave industrial como un objeto rígido y los efectos del
que se va a trabajar.
V. REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS
Mendoza E., Zermeño M., Arroyo G., López A. (2015). Efecto de viento en estructuras.
https://www.researchgate.net/publication/282649701_EFECTO_DE_VIENTO_EN
_ESTRUCTURAS
ASCE/SEI 7-16, (2016). Minimum Design Loads for Buildings and Other Structures,
Irving H. Shames. (1995). Mecánica de Fluidos. Editorial McGraw-Hill, New York, USA.
Hernández Sampieri, R., Fernández Collado, C., & Baptista Lucio, Pilar. (2010).
Escalante Sánchez, José Fernando. (1986). Efecto del viento sobre las estructuras (Tesis de
Gallardo Amaya, Edmundo. (2015). Estudio de los efectos del viento en naves industriales
México.
Ortiz Blancarte, Sergio. (2018). Estudio de los efectos del viento en edifico irregular de