- Las fachadas y techos ondulados pueden reducir la presión del viento de huracán hasta un 60%.
- Las estructuras tradicionales son vulnerables durante los huracanes, y el diseño ondulado ofrece una solución pasiva.
- Los principios aerodinámicos tienen amplia aplicación en múltiples campos de la ingeniería.
- El equipo de investigación planea optimizar aún más el diseño geométrico ondulado.
Los edificios con fachadas y techos ondulados rinden mucho mejor que las estructuras tradicionales frente a los vientos fuertes de los huracanes, pudiendo reducir la presión máxima del viento entre un 40% y un 60%. Este hallazgo ofrece a arquitectos e ingenieros un método pasivo basado en la geometría que permite aumentar la resiliencia estructural sin necesidad de añadir más materiales ni reforzar la construcción.
Cuando el viento golpea una estructura plana, el aire se desliza sobre la superficie y se separa en los bordes afilados, formando vórtices que concentran una fuerte succión en las esquinas y bordes del techo. Estas zonas de baja presión concentrada generan potentes fuerzas ascendentes que arrancan los paneles del techo. Durante un huracán, las cargas de succión más altas en un edificio típico de baja altura se producen precisamente en esas esquinas y bordes. Las estrategias de mitigación actuales incluyen redondear esquinas, inclinar paredes, diseños escalonados y simplemente construir paredes más gruesas y resistentes. Todos estos métodos aumentan el coste y a menudo no son adecuados para la rehabilitación de estructuras existentes.
Método de investigación de la geometría ondulada
El método de geometría ondulada, liderado por el equipo de investigación de Pedro Fernandez-Caban, profesor asistente de ingeniería civil en la FAMU-FSU College of Engineering, produjo modelos de túnel de viento impresos en 3D de edificios de baja altura con techos y paredes exteriores ondulados, en lugar del diseño plano tradicional. Probaron diseños con amplitudes de onda que oscilaban entre el 5% y el 10% de la altura del edificio, y los compararon con el diseño plano estándar. Los investigadores midieron los datos de presión del viento en la superficie de los modelos mientras el viento soplaba desde múltiples direcciones. El modelo con la mayor profundidad de onda obtuvo el mejor rendimiento.
Cuando la amplitud de la onda alcanzaba el 10% de la altura del edificio, la presión máxima del viento cerca del techo y las esquinas de las paredes disminuyó entre un 40% y un 60%, independientemente de la dirección del viento.
El mecanismo de esta mejora es aerodinámico. En lugar de deslizarse suavemente sobre una superficie plana y separarse en el borde formando un único vórtice coherente grande, el aire que fluye sobre una superficie ondulada encuentra una serie de colinas y valles. El flujo de aire supera el contorno ondulado, rompiéndose en múltiples zonas de separación más pequeñas en lugar de formar un vórtice dominante. Estas zonas de separación más pequeñas y dispersas generan una succión concentrada mucho menor en cualquier punto único que el diseño tradicional. Fernandez-Caban describió este efecto: «Estas formas arquitectónicas no convencionales reducen los daños en los escenarios meteorológicos más severos.
Esta es otra herramienta para que ingenieros y diseñadores se protejan contra los daños del viento.»
Amplias implicaciones de la geometría ondulada
El equipo de investigación señala que los principios aerodinámicos detrás de la geometría ondulada no se limitan solo a la ingeniería eólica. La forma en que la dinámica de fluidos afecta la interacción del aire con superficies onduladas comparte los mismos principios físicos fundamentales que otros campos como la aeronáutica, la ciencia ambiental y la oceanografía física. Fernandez-Caban afirma: «Estamos tratando con aire; otros ingenieros y científicos pueden estar tratando con olas y agua, pero la comprensión de la dinámica de fluidos puede guiar el diseño y la ingeniería en diversos campos.»
El equipo de investigación está llevando a cabo experimentos adicionales en túnel de viento para caracterizar mejor el comportamiento del flujo de aire alrededor de sistemas de envolvente ondulados, más allá de la medición de presiones superficiales. También planean utilizar modelos de dinámica de fluidos computacional para optimizar aún más la geometría ondulada y probar perfiles de superficie no cubiertos en la investigación preliminar. El estudio fue coescrito por la profesora asociada Qian Zhang, la doctoranda Arezoo Bakhshizadeh y el exalumno Peter Tsouroukdissian, y recibió el apoyo de Florida State University y la FAMU-FSU College of Engineering.
A medida que la intensidad de los huracanes sigue aumentando debido al ascenso de las temperaturas oceánicas, confiar en soluciones aerodinámicas pasivas en lugar de añadir masa estructural representa un paso hacia un diseño arquitectónico más resiliente. El estudio se publicó en la revista Engineering Structures.
Importancia del diseño ondulado para la seguridad de los edificios
Con el aumento de la intensidad de los huracanes debido al cambio climático, los diseños arquitectónicos tradicionales enfrentan mayores desafíos. El diseño de fachadas y techos ondulados no solo reduce eficazmente la presión del viento, sino que también mejora la resiliencia estructural sin aumentar el coste de los materiales. Este innovador enfoque basado en la aerodinámica brinda a arquitectos e ingenieros una nueva perspectiva, especialmente en la rehabilitación de estructuras existentes. En el futuro, esta tecnología podría desempeñar un papel importante en otros campos de la ingeniería, impulsando una innovación de diseño más amplia.