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• Juan Joel Guillen Mendoza

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ANALISIS Y DISEÑO EN ACERO ESTRUCTURAL SEGÚN AISC 360 MODULO II: COMPORTAMIENTO Y DISEÑO DE MIEMBROS DE ACERO ESTRUCTURAL SOMETIDO A DISTINTAS SOLICITACIONES SEGÚN ESPECIFICACIONES AISC 360

ING. SERGIO DAVID VALLE PEÑALVER

ANALISIS Y DISEÑO EN ACERO ESTRUCTURAL SEGÚN AISC 360 ING. SERGIO DAVID VALLE PEÑALVER

Acciones de Viento Según A SCE 7-10.

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Generalidades. Son las acciones producidas por el aire en movimiento sobre los objetos que se le inter ponen, y consis ten, pr incipalmente, en empujes y succiones.

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Generalidades. Comportamiento – convención de signos: Po r c o nve n c i ó n a e ro d i n á m i c a, p r e s i o n e s p o s i t i va s y n e ga t i va s r e p r e s e n t a n respectivamente el viento contra la super ficie con la que interactúa (viento a bar lovento) y viento que se aleja de la misma (viento a sotavento). La presión neta es un vector suma de las presiones externas e internas actuando sobre la super ficie.

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Generalidades. Comportamiento – presiones externas:

Presión de empuje (+)

Presión de succión (-) Viento a Barlovento

Viento a Sotavento

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Generalidades. Comportamiento – presiones internas:

Presión internas de empuje y succión (+/-)

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Generalidades. Procedimientos de diseño: Hay que recordar que la naturaleza del viento es aleatoria al igual que las sísmicas y por ende entran en la categoría d e acciones extraordinar ias, sin embargo, en función de la complejidad de la edificación o sistema es tr uctural, dichas acci ones pueden tratar se como cargas pseudo-es táticas, mientras que para otros casos incluso será necesario determinar sus propiedades dinámicas. En línea general existen los siguiente procedimientos para determinar las acciones de viento: • Procedimiento direccional para edificaciones de cualquier altura. • Procedimiento envolvente para edificaciones de poca altura. • Ensayos con túneles de viento para edificaciones de cualquier altura.

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Var iables de la Acción Eólica. Categoría de Riesgo de la Edificación: Las estructuras están divididas en 4 categorías (de acuerdo a ASCE 7), dependiendo de la amenaza a la vida humana ante un evento de colapso y sobre como sea la estructura designada como esencial. El propósito de esto es básicamente enfatizar las solicitaciones bajo las cuales se diseñaran las es tr ucturas, por ejemplo, discretizar ins tituciones de sal ud o educacionales a vivienda o centros de comercio.

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Var iables de la Acción Eólica. Categoría de Riesgo de la Edificación: Categoría de Riesgo para Edificaciones y Otras Estructuras para Cargas de Fluidos, Viento, Nieve, Terremotos Y Hielo. Uso u Ocupación de las Edificaciones Y Estructuras

Categoría de Riesgo

Edificaciones y otras estructuras que representan un bajo riesgo para la vida humana en eventos de fallas.

I

Todas las edificaciones y otras estructuras excepto aquellas clasificadas como categorías de riesgo I, III y IV

II

Edificaciones y otras estructuras, donde la falla de la misma puede ocasionar un sustancial riesgo a la vida humana Edificaciones y otras estructuras, no incluidas en la categoría de riesgo IV, con potencial para causar un sustancial impacto económico y/o una masiva interrupción en la vida cotidiana día a día de los ciudadanos durante un evento de falla Edificaciones y otras estructuras no incluidas en la categoría de riesgo IV (incluyendo, pero no limitándose a instalaciones que fabrican, procesan, manejan, usan o disponen de sustancias tales como combustibles peligrosos, químicos peligrosos, desechos tóxicos o explosivos) que contengan sustancias toxicas o explosivas donde su cantidad exceda una aquella establecida por la autoridad con jurisdicción y sea suficiente para poner al público en peligro si es liberado

III

Edificaciones y otras estructuras designadas como instalaciones esenciales Edificaciones y otras estructuras, donde su falla pueda representar una amenaza sustancial para la comunidad Edificaciones y otras estructuras (incluyendo, pero no limitándose a instalaciones que fabrican, procesan, manejan, usan o disponen de sustancias tales como combustibles peligrosos, químicos peligrosos o desechos tóxicos) que contengan suficientes cantidades de sustancias altamente toxicas o explosivas donde su cantidad exceda una aquella establecida por la autoridad con jurisdicción y sea suficiente para poner al público en peligro si es liberado Edificaciones y otras estructuras requeridas para mantener en funcionamiento de otras estructuras con categoría de riesgo IV

IV

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Var iables de la Acción Eólica. Ve l o c i d a d b á s i c a d e l v i e n t o : La velocidad básica del viendo es deter minada para cualquier ubicación geográfica en función de la categoría de r iesgo. • Categoría de riesgo I: vientos con una probabilidad de excedencia de aproximadamente 15% en un periodo promedio de 50 años o probabilidad de excedencia d e 0.60% en cual quier año, l o que equi valdría a 1 evento cada 170 años. • Categoría de riesgo II: vientos con una probabilidad de excedencia de aproximadamente 7% en un periodo promedio de 50 años o probabilidad de excedencia de 0.14% en cual quier año, lo que equivaldría a 1 evento cada 700 años. • Categoría d e r iesgo III y IV: vientos con una p robabilidad de excedencia de aproximadamente 3% en un periodo promedio de 50 años o probabilidad de excedencia de 0.06% en cualquier año, lo que equivaldría a 1 evento cada 1700 años.

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Var iables de la Acción Eólica. Ve l o c i d a d b á s i c a d e l v i e n t o :

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Var iables de la Acción Eólica. Clasificación de encerramiento de la estructura: • Estructuras abiertas: aquellas donde cada una de sus paredes o fachadas son al menos 80% a bier tas. • Estructuras parcialmente cerradas: 1. al menos 1 pared que experimenta presión externa positiva (empuje), el área total de aberturas excede 1.1 veces la sumatoria de áreas abiertas restantes en la edificación. 2. El área total de una abertura en pared sometida a presión externa o 1% del área gruesa de la pared, cualquiera positiva excede el 4 sea menor y el porcentaje de área abiertas restantes en la edificación no excede el 20%. • Es tr ucturas cerradas: aquellas que no clasifican como las anter iores.

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Var iables de la Acción Eólica. Clasificación de encerramiento de la estructura – presiones internas: La clasificación de encerramiento de una edificación controla las presiones inter nas especificadas para el diseño. Las presiones inter nas se desarrollan si: 1. El aire sopla dentro de un espacio del c ual n o puede ir se libremente, en tal caso las presiones inter nas ser ian positivas. 2. El aire succiona un espacio el c ual no puede ser r eemplazado libremente, tal caso las presiones inter nas ser ian negativas.

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Var iables de la Acción Eólica. Clasificación de encerramiento de la estructura – presiones internas:

Viento entrando

Viento saliendo

Presión internas de empuje y succión (+/-)

Presión internas de empuje y succión (+/-)

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Var iables de la Acción Eólica. Categoría de Exposición: La categoría de exposición esta basada en la rugosidad característica del terreno o cuerpo de agua por la cual el viento debe atravesar para llegar a la estructura. El tipo o categoría de exposición gobierna sobre el cambio de velocidad del viento de su condición e s t á n d a r. La especificación hace distinción entre la rugosidad super ficial y la exposición.

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Var iables de la Acción Eólica. Categoría de Exposición – Rugosidad super ficial: • R u g o s i d a d s u p e r fi c i a l ti p o B: á r e a u r b a n a s y s u b u r b a n a s, á r e a s fo r e s t a l e s u otros terrenos con numerosas obstrucciones cercanas entre si con el tamaño de una vivienda unifamiliar o mas grandes. • Rugosidad super ficial tipo C: terrenos abiertos con obstrucciones dispersadas generalmente con menos de 9m de altura, campos planos abier to y pas tizales. • Rugosidad super ficial tipo D: planicies, áreas no obs tr uidas y super ficies d e a g u a , p l a n i c i e s l i s a s d e b a r r o o f a n g o s , s a l i n a s y h i e l o s i n r o m p e r.

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Var iables de la Acción Eólica. Categoría de Exposición: •

• •

Exposición B: Para e dific acione s con una al tura igual o me nor que 30 ft (9 .1 m) , se aplicara la exposición B donde prevalezca la rugosidad super ficial B, en una dirección contra e l viento en una dis tancia m ayor a 1 500 ft ( 457 m ). Par a edificaciones donde su altura sea mayor a 30 t (9.1 m), la exposición B será aplicada donde prevalezca una rugosidad superficial B en dirección contra el viento para distancias mayores a 2600 ft (792 m) o 20 veces la altura de la e d i f i c a c i ó n , c u a l q u i e r q u e s e a m a y o r. Exposición C: La exposición C aplicara para todos los casos donde no apliquen l a e x p o s i c i ó n t i p o B y D. Exposición D: la exposición D aplicara donde prevalezca una rugosidad s u p e r f i c i a l D, e n u n a d i r e c c i ó n c o n t r a e l v i e n t o a d i s t a n c i a m a y o r e s d e 5 0 0 0 f t ( 1 5 2 4 m ) o 2 0 l a a l t u r a d e l a e d i f i c a c i ó n , c u a l q u i e r a s e a m a y o r. L a e x p o s i c i ó n D deberá también ser aplicada donde la rugosidad superficial del terreno inmediato al sitio a la dirección contra el viento sea B o C, y se encuentre dentro de una distancia de 600 ft (183 m) o 20 veces la altura de la e d i f i c a c i ó n , c u a l q u i e r a s e a m a y o r.

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Var iables de la Acción Eólica. Categoría de Exposición: Exposición B Viento

Viento ,

Rugosidad superficial B

, Rugosidad superficial B



.

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Var iables de la Acción Eólica. Categoría de Exposición: Exposición B

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Var iables de la Acción Eólica. Categoría de Exposición: Exposición D Viento Viento

Rugosidad superficial D

Rugosidad B y/o C

Rugosidad D



.



.



.

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Var iables de la Acción Eólica. Categoría de Exposición: Exposición D

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Var iables de la Acción Eólica. Factor de direccionalidad: Este factor toma en cuenta 2 efectos: 1. El reducir la probabilidad de un viento máximo proveniente de cualquier dirección. 2. Reducir la probabilidad de coeficientes de presiones máximos que puedan ocurrir en cualquier dirección.

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Var iables de la Acción Eólica. Factor de direccionalidad:

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Var iables de la Acción Eólica. Factor topográfico: A menos que terreno alrededor sea plano a lo largo de una longitud suficiente, la velocidad básica del viendo e s modificada no solo por l a rugosidad del terreno, sino también por la topografía que rodea la es tr uctura. En super ficies por encima de l aderas o taludes, la velocidad aumenta, para cualquier altura p or encima del terreno, caso contrar io en terrenos hor izontales por encima de es tas laderas.

Viento



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Var iables de la Acción Eólica. Factor topográfico - limitaciones: 1. La colina, cresta o talud aislada y sin obstrucción contra el viento por otras características topográficas similares de alturas comparables por 100 veces la altura de la topografía característica (100H) o 2 millas ( 3 . 2 2 k m ) , c u a l q u i e r a s e a m e n o r. L a d i s t a n c i a d e b e r á s e r m e d i d a horizontalmente desde el punto el cual la altura de la colina, cresta o escarpa es determinada. 2. La colina, cresta o talud sobre sale por encima de la altura del terreno característico contra el viento dentro de un radio de 2 millas (3.22 km) en cualquier cuadrante por un factor de 2 o más. 3. La estructura es localizada en la mitad superior de la colina o cresta, o cerca de la cresta de un talud. . 4. 4. 5 . 5 . H e s m a y o r o i g u a l a 1 5 f t ( 4 . 5 m ) p a r a e x p o s i c i ó n C y D, y 6 0 f t ( 1 8 m ) p a r a e x p o s i c i ó n B.

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Var iables de la Acción Eólica. Factor topográfico - ecuaciones: Si alguna de las limitaciones no llegase a cumplir:

De lo contrario: .

.

Donde: ∝.

Factor que toma en cuenta la forma de la topografía.

. . /

Factor que toma en cuenta la variación de velocidad en función de la longitud de la cresta. Factor que toma en cuenta la variación de velocidad en función de la altura de la cresta

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Var iables de la Acción Eólica. Factor topográfico - ecuaciones:

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Var iables de la Acción Eólica. Coeficiente de presión de velocidad debido a la exposición: a una elevación El valor del coeficiente dependiente de la exposición puede ser tomado para cualquier edificación y otras estructuras de la A SCE de la tabla 27.3.1 o de las siguientes ecuaciones: ∝

,

∝

,



.

.



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Var iables de la Acción Eólica. Coeficiente de presión de velocidad debido a la exposición:

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Var iables de la Acción Eólica. Ve l o c i d a d d e p r e s i ó n d e l v i e n t o : La velocidad básica del viento puede conver tirse en velocidad de presión mediante la siguiente ecuación:

, (Sistema internacional)

. ,

.

. .

. .

. .

( p s f, m p h ) (N/m2, m/s)

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Var iables de la Acción Eólica. Factor de ráfaga: Es un factor que afecta a la presión externa. Se denota como para edificaciones rígidas y para edificaciones flex ibles. Las especificaciones de la A SCE 7 contienen un único valor de 0.85 para edificaciones rígidas. Este factor toma en cuenta los efectos de carga debido a la interacción t u r b u l e n c i a - e s t r u c t u r a a l o l a r g o d e l a d i r e c c i ó n d e l v i e n t o. Ta m b i é n t o m a en cuenta efectos dinámicos de amplificación en edificaciones flexibles. No toma en cuenta efectos de vórtices debido al viento que atraviesa la edificación, efectos tor sionales, ines tabilidades por succión, etc.

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Var iables de la Acción Eólica. Factor de ráfaga – tipo de edificaciones: Edificaciones o estructuras rígidas: Clasifican como edificaciones rígidas a q u e l l a s c u ya f r e c u e n c i a f u n d a m e n t a l se a m a yo r o i g u a l 1 H z, en o t r a s palabras, p er iodos menores o iguales que 1 segundo. Existirá un disminución de las presiones externas debido a un fenómeno de fluctuación de velocidades conocido como imper fección espacial coherente, el cual explica que las velocidades entre 2 puntos aumentan con el aumento de la distancia. Edificaciones o estructuras flexibles: Clasifican como edificaciones rígidas aquell as cuya frecuencia fundamental sea menor o igual 1 Hz, en o tras palabras, p er iodos mayores o iguales que 1 segundo. Estas es tr ucturas comprenden efectos dinámicos asociados con la fenómenos de resonancia, donde el periodo fundamental del viento se aproxima al de la estructura, ocasionando amplificaciones de la respuesta dinámica.

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Fuer zas y Consideraciones de Diseño Presión de viento: La presión de viento se define como: . Donde:

.

Acción externa

.

.

Acción interna

= velocidad de presión externa evaluada viento a barlovento (presiones positivas o altura h para viento a sotavento (presiones = velocidad de presión interna en la • negativa. = coeficiente de presión externa. • • = coeficiente de presión interna. •

en las distintas alturas z para de empuje) y evaluada en la negativas o de succión) altura h tanto positiva como

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Fuer zas y Consideraciones de Diseño Presión de viento – coeficiente de presión externa:

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Fuer zas y Consideraciones de Diseño Presión de viento – coeficiente de presión externa:

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Fuer zas y Consideraciones de Diseño Presión de viento – coeficiente de presión externa:

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Fuer zas y Consideraciones de Diseño Presión de viento – coeficiente de presión interna:

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Fuer zas y Consideraciones de Diseño Presión de viento mínima: La carga de viento a ser usa en el diseño del sistema principal resistente a viento para edificaciones encerradas o parcialmente encerradas no deberá multiplicada por el área de la pared de la ser menor que multiplicada por el área de techo proyectada en un edificación y plano ver tical nor mal a la dirección asumida del viento. Las cargas p ara paredes y techo deberán ser a plicadas simultáneamente.

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Fuer zas y Consideraciones de Diseño Presión de viento mínima:





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Fuer zas y Consideraciones de Diseño Casos de carga para el diseño por viento: El diseño por viento debe atenderse para los siguientes 4 casos: 1. Viento de diseño completo actuando en el área proyectada perpendicular a cada eje principal de la estructura, consideradas por separado. 2. Tres cuartas (3/4) partes del viento de diseño actuando en el área proyectada perpendicular a cada eje principal de la estructura con un momento tor sional, consideradas por separado. 3. Cargas de viento definidas en el caso 1 pero considerando 75% de las cargas actuando simultáneamente. 4. Cargas de viento definidas en el caso 2 pero considerando 75% de las cargas actuando simultáneamente.

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Fuer zas y Consideraciones de Diseño Casos de carga para el diseño por viento: