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• Daniel Relos L

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Facultad de Ingeniería Civil

2011

CARGAS DE VIENTO Una gran cantidad de investigaciones se ha llevado a cabo en años recientes sobre el tema de las cargas de viento. Sin embargo, se requieren aún muchos estudios, ya que la estimación de las fuerzas de viento de ninguna manera puede considerarse una ciencia exacta. La magnitud y la duración de las cargas de viento varían con la localidad geográfica, la altura de la estructura sobre el terreno, el tipo de terreno alrededor de la estructura, la proximidad de otros edificios y la naturaleza misma del viento. El enfoque adoptado por la mayoría de los reglamentos de construcción para edificios de forma regular, consiste en determinar un conjunto de cargas distribuidas que abarquen o envuelvan a las cargas reales esperadas. Esas cargas distribuidas se aplican al edificio en una serie de casos de carga de diseño por viento. La Sección 6 de la especificación ASCE 7 – 98 proporciona un procedimiento un tanto ex‐ tenso para estimar las presiones de viento aplicadas a edificios. El procedimiento implica varios factores con que se intenta tomar en cuenta el tipo de terreno alrededor del edificio, la importancia del edificio por lo que se refiere a la vida y el bienestar humano y, por supuesto, la velocidad del viento en la localidad donde se encuentra el edificio. La determinación de las cargas de viento que actúan sobre un edificio es a menudo el tema de un curso entero. El análisis sobre fuerzas de viento que expondremos a continuación pretende ser sólo una introducción al tema y no considera aceleraciones del viento causadas por factores topográficos. Además, en este análisis se consideran sólo las fuerzas de viento aplicadas al sistema principal resistente al viento de edificios de poca altura con pendientes en techos de menos de 10 grados. También se aplica a fuerzas de viento aplicadas a las componentes del edificio y b recubrimiento del mismo. El recubrimiento es la cubierta exterior de las partes estructurales del edificio. Un procedimiento de diseño simplificado y conservador se pre‐ senta en la Sección 6.4.2 de la ASCE 7 – 98. s veremoss algunas definiciones e n Antess de comenzar el análisis, necesarias: d poca altura: un edificio cerrado d o parcialmente cerrado en el que la • Edificio de e e altura media del techo es menor de 6 0 pies y la altura no es mayor que la dimensión horizont al menor.

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a aberturass en cada pared a • Edificio abierto: un edificio en el que el área total de las es r total de la pared. igual por lo menos al 80% del área u en • Edificio parcialmentee cerrado: un edificio en el que el área total de las aberturas x t excede. una pared que recibe presión externa positiva  la suma u de las áreas á de lass aberturas en el resto de la envolvente del edificio e en m más de 10%. ñ y el porcentaje c  (b) 4 pie2 o 1% del área de esa pared, la que sea más pequeña, o excede de 20%. de aberturas en el resto del edificio no u d • Edificio cerrado: cualquier edificio excepto edificios abiertoss o parcialmente cerrados. o techo, p • Envolvente de edificio: el recubrimiento, paredes exteriores, puertas, m ventanas y otros componentes que encierran al edificio. • Sistema principal resistente a la fuerza del viento: un conjunto de elementos estructurales asignados para proporcionar soporte y estabilidad a la estructura entera. El sistema resistente a la fuerza del viento generalmente recibe la carga de viento desde más de una superficie. Hay seis pasos para determinar las cargas básicas de viento que actúan en los sistemas estructurales. Estos pasos son: 1. Determinar la velocidad del viento de diseño. 2. Determinar el factor de importancia. 3. Determinar la peor categoría de exposición en el sitio. 4. Calcular la presión de velocidad. 5. Calcular la presión del viento sobre el sistema principal resistente a la fuerza del viento. 6. Calcular la presión del viento sobre las componentes y el recubrimiento.

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A 2.6 FACTOR I DE IMPORTANCIA A E TABLA PARA CARGAS DE VIENTO Categoría por uso de edificio

Regiones no sujetas a huracanes y regiones sujetas a huracanes con V=85 ‐100 mph y Alaska

Regiones sujetas a huracanes con V > 100mph

I II III IV

0.87 1.00 1.15 1.15

0.77 1.00 1.15 1.15

Fuente: ASCE 7‐98 2.9.1

Determinar la velocidad del viento de diseño, V

La velocidad básica de viento por usarse en el diseño se determina con la figura 6.1 en la ASCE 7‐98. Se supone que el viento se acerca al edificio desde cualquier dirección. Las ve‐ locidades del viento que se obtienen con esta tabla no deben usarse en zonas montañosas, cañadas, ni en otras regiones donde puedan existir condiciones poco comunes de viento. 2.9.2

Determinar el factor de importancia, I

El factor de importancia introduce en el cálculo de las fuerzas de viento una medida de las consecuencias de la falla. Edificios críticos, como escuelas y hospitales, tendrán un factor de importancia mayor y, por tanto, fuerzas de diseño por viento mayores. Los edificios cuyas fallas tengan menor consecuencia en pérdidas de vidas humanas, como el caso de los edificios de una granja, tendrán un menor factor de importancia y por ello menores fuerzas de diseño por viento. La clasificación de los edificios por viento, nieve y cargas sísmicas se muestra en la Tabla 1‐1 de la ASCE 7‐98. Al calcular cargas de viento, el factor de importancia asociado con cada clasificación se muestra en la tabla 2.6. 2.9.3

Determinar la peor categoría de exposición en el sitio

Al calcular las fuerzas de diseño por viento, deben considerarse el terreno y los obstáculos al viento en el sitio del edificio. Para toda dirección del viento evaluada, debe determinarse una categoría de exposición que tome en consideración el terreno y los obstáculos para el edificio que se está diseñando. Las categorías de exposición tal como se presentan en la Sección 6.5.6.1 de la ASCE 7‐98 están dadas en la tabla 2.7.

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La categoría de exposición para el edificio se usa al calcular la presión de velocidad. Si el edificio que se está diseñando se encuentra en una región entre dos categorías de exposición. Se usará la categoría de exposición que cause las mayores fuerzas de viento. 2.9.4

Calcular la presión por velocidad

La presión por velocidad, en unidades de libras por pie cuadrado, se calcula con la ecuación 5 Kd Kz V2 I qh = 0.00256 En la ecuación 2.6, V es la velocidad básica del viento e I es el factor de importancia. El término Kd es un factor de direccionalidad que es igual a 0.85 cuando se usan en el diseño las combinaciones de carga especificadas en la Sección 2 de la ASCE 7‐98. De otra manera, el factor es igual a la unidad. El término Kz es el coeficiente de exposición a la presión por velocidad y se determina con la Tabla 6‐5 en la ASCE 7‐98. La altura usada al determinar K. para edificios de poca altura, es la altura media del techo. Si están presentes características topográficas como crestas, la presión por velocidad tendrá que modificarse como se indica en la Sección 6.5.7 de la ASCE 7‐98. TABLA 2.7 CATEGORÍAS DE EXPOSICIÓN PARA FUERZAS DE VIENTO Categoría de exposición Descripción A

Centros de ciudades grandes donde por lo menos el 50% de los edificios tienen más de 70 pie de altura. El uso de esta categoría está limitado a aquellas áreas para las cuales el terreno representativo de la exposición A prevalece en la dirección contraria al viento por una distancia de por lo menos 0.5 millas o 10 veces la altura del edificio u otra estructura, la que sea mayor.

B

Áreas urbanas y suburbanas, áreas boscosas, y otros terrenos con numerosos obstáculos estrechamente espaciados que tengan el tamaño de habitaciones unifamiliares o mayores. El uso de esta categoría de exposición está limitado a aquellas áreas para las cuales el terreno que es representativo de la Categoría de Exposición B prevalece por lo menos 1 500 pie o 10 veces la altura del edificio u otra estructura, la que sea mayor.

C

Terreno abierto con obstáculos dispersos que generalmente tienen menos de 30 pie de altura. Esta categoría incluye planicies abiertas, pastizales y litorales en áreas sujetas a huracanes.

D

Áreas planas sin obstáculos expuestas a viento que fluye sobre agua abierta excluyendo el litoral en áreas sujetas a huracanes. Los litorales que están incluidos en la Categoría de Exposición D incluyen cursos de agua interiores, los Grandes Lagos, y las áreas costeras de California. Oregon, Washington y Alaska. Esta categoría de exposición se extiende internamente desde la costa una distancia de 1500 pie o 10 veces la altura del edificio u otra estructura, la que sea mayor. Fuente: ASCE 7-98

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Presión de diseño del viento En un edificio con techo de dos aguas y planta rectangular, el viento ejerce presión sobre el muro de barlovento, succión sobre los muros laterales y de sotavento, succión sobre el lecho inclinado de sotavento y succión y presión sobre el techo inclinado de barlovento (fig. 4.7.1). Además, como los edificios no son en su totalidad herméticos, en su interior también pueden estar sometidos a presión o succión. Las ASCES proporcionan varias ecuaciones para la presión de diseño del viento, p, la cual es la presión estática equivalente utilizada para determinar las cargas de viento para los edificios.

Figura 4.7.1 Distribución de la presión del viento en las superficies externas de un edificio para el diseño del sistema resistente a fuerza de viento. La elección de la ecuación depende de la altura y flexibilidad de la estructura y también depende de si el diseño es para el sistema resistente principal a las fuerzas de viento o para los componentes y revestimiento del edificio por ejemplo, la presión de diseño del viento sobre edificios rígidos de todas las alturas, para los sistemas resistentes al viento principales, está dado por una ecuación de dos términos ( ecuación 6 – 15 de ASCES) compuestas de presiones tanto externas como internas que se pueden expresar como: P = Pe – Pi

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O de manera más explícita y conservadora como, P  qZ GC p  qh (GC pi ) Para muro de barlovento (4.7.3a) P  qh GC p  qh (GC pi ) Para muro de sotavento, muros laterales y techo (4.7.3b) Dónde: P  presión de diseño de viento, psf pe  Presión externa del viento, psf pi  Presión interna del viento, psf z  Altura sobre el nivel del suelo q z  Presión de velocidad calculada a la altura z sobre el suelo (según la tabla 6 – 5, caso de ASCES), psf h  Altura media del techo de un edificio (la altura del alero se utiliza para el Angulo Ө del techo menor o igual al 10% qh  Presión de velocidad calculada a la altura h (según la tabla 6 – 5, caso 2, de ACSES), psf C p  Coeficiente de presión externa según la figura 6 – 3 de las ASCES G  Factor del efecto ráfaga según la sección 6.5.8 de las ASCES GC pi  Coeficiente de presión interna según la tabla 6 – 7 de las ASCES La presión de diseño debe aplicarse de manera simultánea sobre los muros de barlovento y de sotavento, y sobre la superficie del techo, normal a la superficie. Coeficiente de presión externa, C p Las presiones de diseño del viento sobre las estructuras se determinan al multiplicar las presiones de velocidad aplicables por coeficientes de presión adecuados. Los coeficientes de presión externa definen la presión o la succión que actúa de manera perpendicular sobre las superficies externas de un edificio o estructura. Un coeficiente de presión negativo indica succión (alejándose de la superficie) diferente de la presión positiva (dirigida hacia la superficie). Los coeficientes positivo y negativo se especifican para C p , y en el diseño se debe utilizar la combinación más desfavorable. Los coeficientes de presión se han recopilado a partir de pruebas a escala natural y de túnel de viento, y de acuerdo con la literatura previa disponible.

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Factor de ráfaga, G Para estructuras rígidas, el valor del efecto ráfaga G se puede tomar como 0.85 o se calcula mediante los métodos dados en la sección 6.5.8 de las ASCES. Coeficientes de presión interna, GC pi Las presiones internas se deben a aberturas en los muros, y su magnitud y sentido dependen del área de tales aberturas. Pueden ser aberturas permanentes o aberturas causadas por tormentas o fugas de aire. Las puertas y ventanas en uso deben considerarse como aberturas, ya que pueden quedarse abiertas, de manera inadvertida, durante vientos fuertes. Asimismo, si hay probabilidad de que puertas y ventanas se rompan durante una tormenta por la acción de escombros originados por el viento, deberán considerarse como aberturas.

Figura 4.7.2: influencia de las aberturas en un muro sometido a la presión del viento. Las aberturas del muro de barlovento causan un incremento de la presión dentro del edificio (figura 4.7.2a). El incremento de la presión interna se combina con la presión externa que ya actúa sobre el muro de sotavento, el techo y los muros laterales para intensificar las presiones netas que actúan hacia el exterior sobre esas superficies. A la inversa, una abertura en el muro lateral o el de sotavento disminuye la presión interna del edificio debido a que el aire se sale (figura 4.7.2b). La disminución de la presión interna se combina con la presión que actúa hacia el interior sobre el muro de barlovento para producir una presión interna tiende a aliviar las presiones que actúan en el exterior sobre el techo, muros laterales y muros de sotavento. Carga de viento. Tomando en cuenta los datos de las tablas proporcionadas por el SENAMI en el año 1980 se ve un valor máximo de viento de 93km/hr.

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Para una velocidad de viento v = 94

v = 94

1hr km 1000m × × = 26.11 m/seg hr 3600seg 1Km

La presión dinámica será:

w 

km . hr

w=

v2 16

26.112 KN KN kg  0.4261 2  0.43 2  42.61 m m 16 m2

El viento produce sobre cada elemento superficial, tanto orientado a barlovento como a sotavento, una sobrecarga unitaria p (KN/ m2) en la dirección de su normal, positiva (presión) o negativa (succión), de valor dado por la expresión: p = c× w Dónde: c = Coeficiente eólico, adimensional que depende de la forma de la construcción. w = Presión dinámica. El valor del coeficiente eólico (c) lo obtenemos de la tabla 5.3 del de la versión 13 del libro de Hormigón Armado de Jiménez – Montoya, tomando en cuenta la especificación para viviendas construcciones prismáticas. Tabla 5.3. Coeficiente eólico ó c

Clase a de constr ucción Construcciones prismáticas De planta rectangular o combinación de rectángulos

1.2

Reemplazando valores: p = 1.2 × 0.43 = 0.516

p = 0.516

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KN m2

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