Estudio CFD de las acciones del viento sobre la torre Cascades en Caen: velocidades, presiones de fachada y confort de las terrazas en altura.
Lo esencial. En el marco de la construcción de la torre Cascades en Caen, EOLIOS realizó un estudio CFD multidireccional (ocho orientaciones) de las acciones del viento sobre este edificio de gran altura en un entorno urbano denso. Velocidades de viento extremo calculadas para un periodo de retorno de 50 años según el Eurocódigo NF EN 1991-1-4, presiones de fachada sobre todas las paredes (fachadas, ventanas, mosaicos, mástiles) y confort frente al viento de las terrazas interpretado mediante la escala de Beaufort. Los resultados aseguran el dimensionamiento de los elementos expuestos y guían los dispositivos de confort en altura.
Un edificio de gran altura modifica profundamente el flujo del viento: crea sobrevelocidades a nivel del suelo, canaliza el aire entre los edificios vecinos y soporta presiones de fachada que crecen fuertemente con la altitud. Anticipar estos fenómenos desde el diseño condiciona a la vez la resistencia de las fachadas y el confort de los espacios exteriores — dos cuestiones que las solas fórmulas reglamentarias, deliberadamente envolventes, tienen dificultad para localizar con precisión.
EOLIOS es líder de la simulación CFD externa de las problemáticas de viento. Nuestros estudios se basan en la experiencia de campañas de medición en condiciones reales y de un centenar de sitios simulados en todo el mundo.
La torre Cascades es un edificio de gran altura situado en Caen (Calvados). En el marco de su construcción, resultó esencial analizar con precisión la influencia del viento sobre la obra y su entorno inmediato. Los resultados de este estudio constituyen una etapa clave para garantizar el rendimiento, la seguridad y la durabilidad de la obra frente a las acciones del viento.
Un edificio de gran altura (en Francia « IGH », immeuble de grande hauteur) es un edificio cuyo suelo más bajo del último nivel supera una altura reglamentaria (28 m en vivienda, 50 m para los demás usos). Su altura lo expone a velocidades de viento superiores y a marcados efectos de emplazamiento, lo que hace que el análisis de las acciones del viento sea determinante desde el diseño.
Los objetivos principales de la misión eran:
Identificar las condiciones de viento más desfavorables a las que puede estar sometido el emplazamiento.
Caracterizar los efectos de emplazamiento generados por la forma del edificio y las construcciones vecinas.
Cartografiar las velocidades del aire alrededor de la torre para ocho direcciones principales.
Determinar las presiones ejercidas sobre todas las paredes de la torre (fachadas, ventanas, mosaicos, mástiles).
Identificar las zonas de riesgo y las presiones máximas alcanzadas.
Evaluar el confort frente al viento en las terrazas en condiciones de viento medio.
La mecánica de fluidos numérica (CFD) resuelve numéricamente las ecuaciones en derivadas parciales que rigen los flujos de fluido. Aplicada a los edificios, aporta información precisa sobre las velocidades del aire, las presiones y los fenómenos aerodinámicos que se producen alrededor y en el interior de las estructuras, incluso complejas, y teniendo en cuenta el entorno.
Se elaboró un modelo 3D específicamente adaptado a la resolución numérica a partir de los planos facilitados por el cliente e imágenes de satélite. La geometría integra la torre Cascades así como el conjunto de edificios circundantes capaces de generar pantallas aeráulicas significativas. Los detalles geométricos de bajo impacto aerodinámico se simplifican deliberadamente para concentrar la potencia de cálculo en las zonas de interés.
Saber más: ¿qué es la simulación CFD?El viento observado a nivel del suelo está fuertemente influido por la estructura vertical de la capa límite atmosférica, que se descompone en tres subcapas distintas: la subcapa rugosa (algunos metros), la capa límite de superficie (10 a 100 m), sede de fuertes gradientes de velocidad, y la capa exterior o subcapa inercial (hasta ~1 km), poco perturbada por la topografía. La velocidad del viento crece con la altitud según un perfil logarítmico — fenómeno denominado cizalladura vertical — que está en el centro de toda modelización CFD de emplazamientos urbanos.
Es la franja de atmósfera donde el rozamiento del suelo frena el viento. Su altura y la forma de su perfil de velocidad dependen de la rugosidad del terreno (mar, campo, ciudad): cuanto más edificado está el suelo, más se frena el viento cerca del suelo y se cizalla en altura. Es esta firma local la que la simulación debe reproducir en la entrada para dimensionar un edificio alto sobre bases realistas.
La determinación de las velocidades de viento extremo para un periodo de retorno de 50 años se realizó conforme a la norma Eurocódigo NF EN 1991-1-4, referencia reglamentaria para el cálculo de las acciones del viento sobre las estructuras. Este enfoque se basa en las velocidades de viento de referencia definidas a escala nacional, corregidas en función de las características locales del emplazamiento: rugosidad del terreno, topografía, altitud y categoría de terreno circundante. Los cálculos permiten obtener las velocidades de viento de dimensionamiento asociadas a un evento meteorológico raro pero estadísticamente representativo de la vida útil de la obra. Estas velocidades extremas constituyen los datos de entrada de las simulaciones CFD y sirven para el dimensionamiento de las fachadas, elementos de cubierta y equipos expuestos, con el fin de garantizar la estabilidad y la seguridad de la torre frente a las solicitaciones aerodinámicas más severas.
El análisis multidireccional puso de manifiesto varios fenómenos aerodinámicos significativos alrededor de la torre:
Aceleraciones en las aristas: las aristas verticales de la torre generan sobrevelocidades localizadas y vórtices turbulentos para todas las orientaciones del viento.
Efecto Venturi: al oeste, un pasillo formado por los edificios aguas arriba canaliza el flujo, amplificando notablemente las velocidades y generando la presión máxima observada sobre los mosaicos de fachada.
Exposición directa: al este, la ausencia de edificios aguas arriba expone directamente la torre al viento incidente, dando lugar a las presiones más elevadas sobre los mástiles.
Zonas de abrigo: para ciertas orientaciones, la presencia de edificios circundantes genera zonas de recirculación que protegen parcialmente la torre de las solicitaciones máximas.
Cuando el viento se canaliza en un pasillo estrecho formado por edificios próximos, su velocidad aumenta por conservación del caudal: es el efecto Venturi. Al pie de la torre genera sobrevelocidades y presiones localmente máximas, que deben identificarse con precisión para asegurar los elementos de fachada expuestos.
La parte baja de la torre se beneficia de un efecto de abrigo ligado a las construcciones circundantes; a la inversa, los niveles superiores — que sobrepasan el tejido urbano — están directamente expuestos al viento incidente, generando las solicitaciones máximas sobre las fachadas y los elementos de cubierta.
Las simulaciones CFD determinaron los campos de presión ejercidos por el viento sobre el conjunto de superficies de la torre para las diferentes direcciones estudiadas. Para cada elemento de fachada se calcularon las presiones mínimas y máximas con el fin de identificar las solicitaciones extremas susceptibles de producirse en explotación o durante episodios ventosos severos. Este enfoque permite disponer de una envolvente completa de las cargas aerodinámicas aplicadas a la estructura y a los elementos añadidos.
Los resultados ponen de manifiesto la coexistencia de presiones positivas y negativas según la orientación de las fachadas y la dinámica local del flujo:
Presiones positivas — zonas de impacto directo del viento: el flujo comprime las superficies y aplica un esfuerzo dirigido hacia el interior del edificio.
Presiones negativas — un fenómeno de succión generado por las separaciones del flujo y las zonas de recirculación: los esfuerzos se dirigen entonces hacia el exterior de la estructura.
Esta distinción es especialmente importante para el dimensionamiento de los elementos de fachada y de los sistemas de fijación, ya que algunos componentes son más sensibles al arrancamiento que a los esfuerzos de compresión.
Así, se llevó a cabo un trabajo de acercamiento local sobre las zonas consideradas sensibles del proyecto con el fin de obtener una lectura fina de las solicitaciones aerodinámicas. Se realizaron análisis específicos en particular sobre los mástiles luminosos, los mosaicos de fachada, las ventanas y las barandillas, para caracterizar con precisión los niveles de presión alcanzados y orientar el dimensionamiento de los elementos expuestos.
La confrontación entre los resultados CFD y los valores analíticos de la norma Eurocódigo (NF EN 1991-1-4) en un caso simplificado (sin edificios alrededor, viento de frente) confirma una buena coherencia entre los dos enfoques. Las presiones obtenidas por simulación numérica están contenidas en el intervalo de presión calculado según la norma, que se mantiene más conservadora — lo que valida la pertinencia del dimensionamiento reglamentario para la resistencia a las cargas de viento de los elementos de fachada.
El estudio de confort se realiza para el viento dominante en velocidad media anual — el escenario más representativo de las condiciones de uso de las terrazas (verano, media estación).
Seguridad y confort de los usuarios. Más allá del dimensionamiento estructural, velocidades en terraza que superan el umbral de Beaufort 5 pueden hacer los espacios exteriores incómodos, incluso peligrosos (mobiliario desplazado, objetos no fijados). El estudio localiza estas zonas de aceleración para orientar barandillas, cortavientos y la configuración de los usos.
Los campos de velocidad para cada nivel de terraza permiten identificar:
Las zonas de confort óptimo, protegidas por los elementos arquitectónicos.
Las zonas de aceleración local a tratar en el diseño (barandillas, cortavientos).
Las terrazas expuestas que requieren recomendaciones específicas.
El análisis de las velocidades del viento sobre las diferentes terrazas se interpreta mediante la escala de Beaufort, referencia internacional que relaciona las velocidades de flujo con los efectos percibidos por los usuarios. Esta escala, compuesta por 0 a 12 niveles, permite calificar de manera cualitativa y cuantitativa la intensidad del viento, desde condiciones totalmente calmas hasta situaciones de viento fuerte que pueden limitar o incluso prohibir ciertas actividades exteriores.
En el contexto de un edificio de gran altura, esta lectura es especialmente pertinente porque traduce los resultados CFD en criterios de confort directamente utilizables por los equipos de diseño y arquitectura. Las zonas identificadas como por debajo de los umbrales de molestia corresponden generalmente a espacios favorables a la apropiación por los usuarios, mientras que los niveles superiores de la escala (Beaufort 5 y más) traducen condiciones potencialmente incómodas que requieren dispositivos de protección o una reconfiguración de los usos.
Más allá de la simple identificación de las zonas de confort, el estudio CFD permite orientar principios de acondicionamiento y de mitigación destinados a mejorar el comportamiento aeráulico de las terrazas. El análisis de los campos de velocidad pone de manifiesto las zonas de aceleración ligadas a los efectos de voladizo en cubierta, a las esquinas de la torre y a las discontinuidades geométricas. Estos mapas de velocidad enlazan con el enfoque descrito en nuestro dosier sobre los criterios y la cartografía del confort frente al viento.
Para mejorar el confort de los usuarios, pueden contemplarse varias palancas de diseño: instalación de barandillas macizas o semipermeables, adición de cortavientos arquitectónicos, creación de volúmenes tampón u optimización de la disposición del mobiliario y de los recorridos. Estos dispositivos reducen localmente las velocidades del viento y limitan los fenómenos de turbulencia, mejorando así notablemente el confort de uso de las terrazas en condiciones de viento medio anual. Este enfoque integrado entre simulación numérica y recomendaciones arquitectónicas permite asegurar un equilibrio entre rendimiento aeráulico, seguridad de los usuarios y calidad de los usos exteriores en altura.
El estudio CFD realizado sobre la torre Cascades permitió poner de manifiesto los principales comportamientos aerodinámicos del emplazamiento, en particular las aceleraciones locales, los efectos de canalización, las zonas de recirculación y las fuertes exposiciones en la parte alta de la obra. Este enfoque numérico aporta un análisis detallado, espacializado y multidireccional de las velocidades y de las presiones, mucho más fino que un enfoque puramente analítico.
A diferencia de los métodos derivados del Eurocódigo, deliberadamente envolventes y simplificados, la CFD integra la geometría real del proyecto así como su entorno construido, lo que permite representar mejor los efectos de emplazamiento y las concentraciones locales de solicitaciones. Constituye así una herramienta complementaria esencial, que aporta una comprensión más realista y operativa de las acciones del viento sobre el edificio alto.
Los estudios CFD de este tipo se inscriben en las prácticas actuales aplicadas a los edificios altos y a los entornos urbanos complejos, donde se utilizan para el dimensionamiento de las fachadas, la optimización de los elementos expuestos y el análisis del confort exterior. Son especialmente pertinentes cuando los enfoques analíticos alcanzan sus límites debido a la complejidad geométrica y a las interacciones urbanas, ofreciendo una representación tridimensional más fiel de los flujos. En perspectiva, estas herramientas pueden extenderse a otras cuestiones como el confort térmico exterior, la dispersión de los contaminantes o la optimización energética a escala urbana, confirmando su papel creciente en el diseño integrado de los proyectos arquitectónicos y urbanos.
Pericia: la presión del viento sobre los edificios — Eurocódigo 1 Pericia: simulación numérica del confort aeráulicoAcciones del viento sobre los edificios altos, Eurocódigo y simulación CFD en entorno urbano denso.
Un edificio de gran altura sobrepasa el tejido urbano circundante y está directamente expuesto al viento incidente. La CFD reproduce la geometría real de la torre y de su entorno construido, y calcula velocidades y presiones para todas las direcciones del viento — mucho más finamente que un enfoque analítico envolvente. Pone de manifiesto los efectos de emplazamiento (aceleraciones en las aristas, efecto Venturi, zonas de abrigo) que condicionan el dimensionamiento de las fachadas y el confort de las terrazas.
El efecto Venturi es la aceleración del viento cuando se canaliza en un pasillo formado por edificios próximos. En la torre Cascades, un pasillo aguas arriba al oeste amplifica notablemente las velocidades y genera la presión máxima observada sobre los mosaicos de fachada. Es un fenómeno típico de los entornos urbanos densos, que la CFD localiza y cuantifica.
El Eurocódigo NF EN 1991-1-4 es la referencia reglamentaria para el cálculo de las acciones del viento sobre las estructuras. Proporciona las velocidades de viento de referencia nacionales, corregidas según las características locales (rugosidad, topografía, altitud, categoría de terreno), para un periodo de retorno de 50 años. Estas velocidades sirven como datos de entrada de las simulaciones CFD y para el dimensionamiento de las fachadas y equipos expuestos.
Los campos de velocidad se simulan por nivel de terraza para el viento dominante en velocidad media anual, y luego los resultados se interpretan mediante la escala de Beaufort, que relaciona las velocidades con los efectos percibidos. Por debajo de los umbrales de molestia, los espacios son favorables al uso ; más allá de Beaufort 5, las condiciones se vuelven incómodas y requieren dispositivos de protección (barandillas, cortavientos).
La CFD es una alternativa numérica a los ensayos en túnel de viento, con la ventaja de probar rápidamente múltiples escenarios (direcciones del viento, configuraciones) sobre la geometría real del proyecto. Confrontada con los valores analíticos del Eurocódigo en un caso simplificado, muestra una buena coherencia, manteniéndose la norma más conservadora. Ofrece una lectura espacializada y multidireccional inaccesible a los solos métodos reglamentarios. Más detalles en nuestro dosier La CFD: alternativa al túnel de viento.
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Estudio CFD de las acciones del viento sobre la torre Cascades en Caen: modelo 3D de la torre y de su entorno construido, vientos extremos a 50 años según el Eurocódigo NF EN 1991-1-4, análisis multidireccional de las velocidades y de las presiones de fachada, efectos de emplazamiento (efecto Venturi, aceleraciones en las aristas, zonas de abrigo) y evaluación del confort frente al viento de las terrazas mediante la escala de Beaufort.
Confort peatonalConfort peatonal — La Défense
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