El Túnel de Viento: Ingeniería para la seguridad estructural

Por Ing. Rodolfo del Rosal Díaz – Coordinador de Laboratorios
Alianza FiiDEM

El Túnel de Viento es el primer laboratorio, de los que integran el Laboratorio de Estructuras y Materiales de Alta Tecnología (LemAT), que ya está en operación. Fue conceptualizado en 2007 por investigadores del Instituto de Ingeniería de la UNAM (II-UNAM) con base en las observaciones y análisis de las principales características y fortalezas de siete laboratorios de clase mundial de universidades de Estados Unidos, tres de Canadá, un europeo y otro de Taiwán, junto con la asesoría de la empresa canadiense AIOLOS Engineering Corporation.

Su construcción inició el 2 de septiembre de 2013 y fue inaugurado el 3 de febrero de 2015. La operación técnica y científica está a cargo del II-UNAM, en tanto que la Alianza FiiDEM lleva la administración integral, que incluye la coordinación y seguimiento a las actividades de comercialización de los servicios.

¿Qué es el túnel de viento?

Es una herramienta científico-tecnológica que sirve para resolver problemas relacionados con la ingeniería de viento mediante el estudio experimental de los fenómenos y efectos eólicos. Las principales razones para realizar una prueba en un túnel de viento son mejorar la confiabilidad del desempeño estructural y lograr efectividad en los costos.

El Dr. Jewel Barlow durante la inspección del Túnel de Viento al finalizar su construcción.

En este laboratorio se realiza investigación de punta sobre los efectos del viento en: estructuras, personas en espacios urbanos, equipos y movimiento de masas gaseosas de contaminantes, entre otros, mismos que se relacionan estrechamente con sus aplicaciones en ingeniería civil, arquitectura y meteorología.

Características

El Túnel de Viento es del tipo de capa límite atmosférica, de circuito cerrado, lo que permite tener un control adecuado del flujo (velocidad, presión y temperatura); tiene 37.75 m de largo por 13.9 m de ancho (figura 1).

En coordinación con el Organismo Nacional de Normalización y Certificación de la Construcción y la Edificación, desarrollaron dos anteproyectos de Norma Mexicana: Diseño por Viento de Edificaciones y Otras Estructuras, Requisitos y Diseño por Viento de Edificaciones y Otras Construcciones, Método de Ensayo en Túnel de Viento.

Circuito del túnel

Una vez que el motor genera el flujo, éste se reparte en toda la sección transversal hasta que llega a la Sección de Pruebas 2. En las esquinas se tienen deflectores que reducen la turbulencia del flujo. En la Sección de Pruebas 1 se puede desarrollar la capa límite, con la ayuda de elementos rugosos en el piso.

Ventilador

Las aspas del ventilador miden 3.35 m de diámetro, el motor es de 200 HP de potencia y gira a 600 rpm, con lo que se puede generar una velocidad máxima de 100 km/h, suficiente para simular los efectos turbulentos del viento bajo diferentes condiciones de flujo. Durante una simulación se pueden analizar, en modelos a escala, el efecto de vientos equivalentes a un huracán de categoría 4.

Secciones de pruebas

Cuenta con dos secciones de pruebas: la primera incluye dos áreas de ensayos de 3 m de ancho por 2 m de alto cada una —separadas por una distancia de 14 m—, y la segunda es de 4.3 m de ancho por 4 m de altura y una longitud de 5 m. La Sección 1 tiene dos mesas giratorias de 2.7 m de diámetro, sobre las que se colocan los modelos de las estructuras civiles y proyectos arquitectónicos a estudiar. Al girar las mesas se simulan diferentes direcciones de incidencia del viento. En las secciones de pruebas se pueden colocar dispositivos para aumentar la capa límite y generar turbulencia. Las mesas no operan simultáneamente, sino una a la vez, dada su interacción con los equipos de registro. Las pruebas pueden efectuarse en modelos rígidos y aerodinámicos; en los primeros se estudia la distribución de presiones y en los segundos las propiedades dinámicas de las estructuras. Los modelos se instrumentan con sensores para medir las deformaciones, velocidades, aceleraciones, temperatura y presiones —positivas y negativas— producidas por el viento. La información generada es analizada por expertos que evalúan el comportamiento del modelo ante las diferentes condiciones de impacto del viento.

Equipo de registro

Permite medir las deformaciones, velocidades, aceleraciones, temperatura y presiones que se producen en los modelos por efecto del viento. El análisis y post-proceso de la información registrada permite evaluar el comportamiento de los modelos a escala o de la simulación o estudio que se esté realizando. Se tienen sensores de presión, balanza de fuerza, sistema neumático, medidores de velocidad, estaciones de medición y termómetros.

Difusor y cono de contracción

En esta zona de difusión/contracción —tipo Venturi— se acondiciona el flujo de viento para que llegue con la calidad, presión, temperatura y velocidad deseadas a la Sección de Pruebas 1. Esto se logra gracias a que en su interior se tienen varias mallas metálicas —incluyendo un Honeycomb—, de aberturas diferentes, y un intercambiador de calor.

Principales servicios

El Túnel de Viento del LemAT brinda un servicio integral en México a ingenieros y arquitectos, y está abierto para proporcionar servicios a instituciones públicas y privadas, tanto nacionales como de otros países. De esta manera, firmas de ingeniería, despachos de diseño arquitectónico, empresas constructoras, organismos gubernamentales, IES y centros de investigación pueden acceder a las instalaciones para realizar pruebas, desarrollar proyectos y formar recursos humanos.

En el Túnel de Viento estudiantes de la UNAM y de otras instituciones públicas y privadas desarrollan tesis de licenciatura y posgrado para innovar la infraestructura en México.

Las aplicaciones y pruebas que se desarrollan son fundamentales para el desarrollo de la infraestructura en México, como son: puentes, edificios, túneles, vialidades, carreteras y estructuras marinas, entre otras. Entre las aplicaciones se pueden mencionar las mejoras a la confiabilidad del diseño estructural; el diseño de dispositivos para atenuar los efectos del viento; la determinación de medidas de mitigación ambiental; la identificación de efectos del viento en diversos elementos arquitectónicos, como fachadas, ventanas y pegamentos, así como sobre terrenos complejos, puentes, edificios y otras estructuras civiles singulares, incluyendo muelles, aeropuertos, naves industriales, y otras instalaciones especiales; el cálculo de magnitudes de fuerzas, momentos y presiones que actúan sobre modelos de aviones, automóviles y otros vehículos a escala, y el análisis de problemas derivados del transporte de masas gaseosas contaminantes.

Un laboratorio de clase mundial

Al finalizar la construcción del Túnel de Viento se solicitó a la compañía Aerolab hacer una evaluación en sitio de la situación del túnel en ese momento, para lo cual asignó al Dr. Jewel B. Barlow, director del Túnel de Viento Glen L. Martin de la Universidad de Maryland desde 1977 y autor principal del libro Low Speed Wind Tunnel Testing, una reconocida referencia estándar en esta área.

El Dr. Barlow destacó que había encontrado una excelente ingeniería del Túnel de Viento, y que en general el diseño, los materiales y la ejecución de la construcción son de alta calidad. Asimismo, lo consideró ideal para pruebas de viento de capa límite atmosférica (edificios, puentes, plataformas petroleras, estructuras, etc.).

Proyectos terminados

• Ampliación de la Terminal Aérea de Acapulco, Gro. (OMA-ICA).
• Invernadero, Zacatecas (HAS-IT).
• Paneles Solares (INEEL).
• Prototipo turbina eólica, (IER-UNAM).
• Telescopio San Pedro Mártir, (UNAM).
• Dos torres, Espacio Condesa (Grupo Némesis).
• Torre Terret, CDMX (Deka).

En negociación

• Cruz Memorial de Misericordia, Monterrey, Pesa (160 m).
• Puente Huallaga en Perú, Provias Nacional (407 m).
• Deformaciones ante Viento de un Panel Laminado de Vidrio.

Instalación eléctrica

La instalación eléctrica del Túnel de Viento es de tipo industrial de
300 kVA y se baja a 480 V, 220 V y 127 V para la operación de las
instalaciones. La alimentación es proporcionada directamente por CFE,
con un consumo promedio mensual de 4000 kWh.

En particular, el motor se controla mediante un inversor de frecuencia, con una tensión máxima de 480 V con la cual se alcanza el máximo de 660 rpm.

Más detalles del Túnel de Viento