Ingenieros de Florida prueban en un túnel de viento muros con forma de ola contra los huracanes y descubren que los picos de presión en las esquinas caen hasta un 60 %

Cuando un huracán toca tierra en Florida, buena parte de los destrozos acaba en los tejados de las viviendas y de los edificios de poca altura. «La mayor parte de los daños provocados por el viento en los huracanes se concentra en los tejados de las construcciones bajas», explicaba en 2023 el ingeniero Pedro Fernández-Cabán, a propósito de otro proyecto, en una nota del FAMU-FSU College of Engineering, la escuela de ingeniería que comparten la Universidad Agrícola y Mecánica de Florida (FAMU) y la Universidad Estatal de Florida (FSU).

Aquel era otro proyecto, financiado por la NSF. Ahora, en un estudio distinto, su equipo ha probado una solución que pasa por cambiar la forma de las fachadas. En un túnel de viento, los muros y tejados con forma de ola, con una sucesión de colinas y valles redondeados, redujeron entre un 40 % y un 60 % los picos de presión cerca de las esquinas de la cubierta y de las paredes, en comparación con un edificio de superficies planas.

«Cambiar la forma de un edificio puede reducir de manera significativa la intensidad de las fuerzas del viento que tiene que soportar», resume Fernández-Cabán, profesor ayudante de Ingeniería Civil del FAMU-FSU College of Engineering, en la nota de la Universidad Estatal de Florida.

La primera autora del estudio es Arezoo Bakhshizadeh, doctoranda del centro. Firman también el trabajo Peter Tsouroukdissian, antiguo alumno, y Qian Zhang, especialista en materiales de construcción del mismo departamento, junto al propio Fernández-Cabán.

Las esquinas son el punto débil de los edificios bajos

Cuando el viento choca contra un edificio, el aire que corre a gran velocidad por la superficie crea una zona de baja presión. Según la nota de FSU, la presión más alta que hay debajo o dentro de la estructura empuja entonces esa superficie hacia fuera, hacia la zona de baja presión.

«Las fuerzas más intensas se desarrollan en las esquinas y los bordes del tejado, donde se agrupan los vórtices y amenazan la integridad estructural», detalla la universidad. Un vórtice es un remolino de aire que se forma cuando el flujo se despega de una arista.

Las consecuencias ya las describía Fernández-Cabán en 2023: los fallos de los tejados «pueden provocar la entrada de viento y agua en el interior del edificio, lo que aumenta todavía más las pérdidas económicas y compromete el bienestar de sus ocupantes».

Ocho maquetas impresas en 3D y 56 ensayos

El equipo fabricó con impresión 3D ocho maquetas de un edificio bajo a escala 1:75. La comparación se hizo con una maqueta de referencia de muros y tejado planos, como cualquier vivienda o nave convencional; el resto llevaba ondulaciones en las paredes o en la cubierta.

Las ondas tenían tres profundidades, equivalentes al 5 %, el 7,5 % y el 10 % de la altura del tejado. Los autores las llaman macrocorrugaciones, que son ondas periódicas de gran tamaño cuya amplitud es comparable a las dimensiones de la propia estructura.

Las pruebas se hicieron en el túnel de viento de baja velocidad de la escuela, cuya sección de trabajo es un cuadrado de 61 cm de lado. «Los túneles de viento suelen considerarse la herramienta de ensayo más fiable para estimar las fuerzas del viento, pero no todas las condiciones de viento posibles se pueden probar así», decía Fernández-Cabán en 2023 sobre aquel otro proyecto, y por ellos pasan desde maquetas de casas hasta prototipos como el avión supersónico chino que aspira a volar a Mach 2.

En total, los investigadores realizaron «una serie exhaustiva de 56 ensayos aerodinámicos independientes en túnel de viento», según el resumen del artículo, con el viento llegando desde distintas direcciones. En todos reprodujeron el flujo de la capa límite atmosférica, la franja de aire más próxima al suelo, donde el rozamiento con el terreno frena el viento y lo vuelve turbulento.

La ola más profunda fue la más eficaz

Según la nota de FSU, el modelo con la onda más profunda fue el que mejor alivió las cargas de viento, con reducciones de entre el 40 % y el 60 % en los picos de presión cerca de las esquinas de tejados y muros «en múltiples direcciones». El resumen precisa que se trata de picos de presión promediados por área y que la comparación se hace con «el caso de referencia (superficie de muro y tejado planas)».

«Los resultados revelan que las macrocorrugaciones pueden alterar de forma significativa los vórtices coherentes en las zonas de separación del flujo y atenuar las fluctuaciones de presión localizadas», escriben los autores.

La universidad lo explica con un ejemplo. En lugar de deslizarse sin obstáculos sobre un muro plano o un tejado a dos aguas, el viento se encuentra con una serie de colinas y valles redondeados que alteran su avance. El aire va saltando de una cresta a otra, lo que rompe las zonas de presión y lo desvía de la envolvente, que es la piel exterior del edificio formada por las fachadas y la cubierta.

«Estas formas de edificio poco convencionales reducen los daños en los peores escenarios de tiempo severo. Es otra herramienta para que ingenieros y diseñadores protejan frente a los daños del viento», añade Fernández-Cabán.

Una alternativa a los muros más gruesos

Para aliviar las cargas de viento hoy se recurre a esquinas redondeadas, muros inclinados o retranqueos, o se hacen las paredes más gruesas y resistentes con más material o con materiales más duros. Según la nota, «estas técnicas pueden ser eficaces, pero caras», y algunas son difíciles de añadir a edificios ya construidos. Otras intervenciones en la cubierta, como pintar los tejados de blanco, persiguen reducir el calor del edificio y no las cargas de viento.

Los autores añaden una ventaja estructural. Las ondas pueden aumentar de forma notable el momento de inercia de los muros, una magnitud que mide su resistencia a doblarse, y mejorar así su resistencia a la flexión «sin necesidad de material adicional».

La oportunidad, según el artículo, la abre la construcción con impresión 3D a gran escala, capaz de fabricar formas curvas y libres con mucha precisión. Según los autores, se espera que estas técnicas «transformen las libertades arquitectónicas y la complejidad geométrica» de las fachadas. El propio Fernández-Cabán ve aplicaciones fuera de la construcción.

«Nosotros trabajamos con aire, y otros ingenieros y científicos pueden trabajar con olas y agua, pero la comprensión de la dinámica de fluidos puede orientar el diseño y la ingeniería en distintos campos», afirma en la nota de FSU. «La optimización aerodinámica exige un enfoque multidisciplinar que equilibre la seguridad estructural, la resiliencia, la eficiencia de los materiales y el rendimiento».

Lo que el estudio todavía no demuestra

Los ensayos se hicieron con maquetas a escala en un túnel de viento universitario, no con edificios reales azotados por un huracán. La mejora tampoco es igual en todos los casos, porque los propios autores indican que las reducciones significativas se detectaron «para ciertos acimuts del viento», es decir, para algunas direcciones, y que en las superficies onduladas la respuesta del flujo «depende en gran medida de la amplitud de la onda y de la dirección del viento».

El trabajo midió solo la presión sobre las superficies. La nota de FSU explica que el equipo prepara nuevos experimentos para entender cómo circula el viento alrededor de estas envolventes y que quiere usar dinámica de fluidos computacional, es decir, simulaciones por ordenador del movimiento del aire, para optimizar el patrón de ondas y probar otras geometrías.

Queda además la parte práctica. El artículo reconoce que las fachadas no planas «pueden plantear problemas de aprovechamiento de la planta», aunque recuerda que la arquitectura suele resolverlos usando el grosor del muro para armarios, muebles empotrados o instalaciones. Ni la nota ni el resumen dan cifras sobre lo que costaría levantar estos muros a escala real.

El estudio se ha publicado en la revista Engineering Structures.

Crédito de la imagen: cortesía de Pedro Fernández-Cabán.