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Cargas de Viento

Este tipo de carga generalmente es despreciable para estructuras pequeas, debido a la

pequea magnitud de las corrientes de viento predominantes en el pas. Sin embargo para

estructuras de gran envergadura omitir los efectos de la velocidad del viento puede conducir a

la falla del diseo. En su artculo 3.15. Wind Load el

(2012) de la AASHTO, establece los criterios a emplearse para el anlisis de estas

cargas. La carga de viento deber modelarse como una carga distribuida uniformemente

aplicada a la zona o rea expuesta de la estructura.

El rea expuesta ser la suma de las reas proyectadas de todos los miembros, incluyendo la

tubera, sobre un plano perpendicular a la direccin del viento. Las cargas indicadas en dicho

estndar son para una velocidad de viento base de 100 millas por hora; las mismas pueden

ser corregidas en la relacin del cuadrado de la velocidad de diseo al cuadrado de la

velocidad base, siempre que la velocidad mxima probable del viento se pueda determinar

con precisin razonable. De esta forma las cargas de viento sern calculadas mediante la

siguiente expresin; no se considera gradientes verticales para la velocidad.

( )

[ ]

[

]

Por otro lado el artculo 3.15.1.1.2 del expresa

que para el diseo de estructuras para puentes la presin aplicable debe ser igual a 75 lbf/ft2

para cerchas o arcos y 50 lbf/ft2 para vigas. Como la estructura en anlisis no corresponde a

un puente peatonal, se ha escogido utilizar la presin de 50 lbf/ft2 como carga atribuible a la

velocidad del viento. Esta carga debe ser aplicada en sentido horizontal a lo largo del eje

longitudinal; para el caso del poste en anlisis, la estructura es representada por los

elementos que cubren la altura de 27 m, es decir, las tuberas de proteccin.

Por su parte, para las cargas transversales y longitudinales en la estructura, considerando

diversos ngulos en la direccin del viento, AASHTO presenta la tabla 1. Las cargas

transversales y longitudinales se aplicaran simultneamente en la zona expuesta de la

estructura; la direccin asumida debe ser aquella que genere la mxima condicin de

esfuerzos en la subestructura, para nuestro caso se asume un ngulo de 60. Cabe recalcar

2

que los valores de presin que se muestran en la tabla se aplican para velocidades de

100 millas/h, debiendo aplicar la ecuacin (1) para corregir la presin a un valor local.

Tabla 1. Cargas Laterales y Transversales en funcin de la direccin del viento. Unidades en Lbf / ft

De los anuarios meteorolgicos publicados por el INAMHI, se obtienen los datos para valores

mensuales promedio para velocidades de viento. Para el ao 2009, se encuentra que la

velocidad mayor observada corresponde a 30 km/h (18 millas/h); sin embargo la Norma

Ecuatoriana de Construccin NEC Captulo 1 Cargas y materiales establece que la

velocidad de diseo para viento no podr ser menor a 75 km/h (46.6 millas/h); de esta forma:

(

)

Henry H. Bednar en su publicacin recomienda que la

presin neta empleada para el diseo de estructuras no debe ser menor a 15 lbf/ft2, por lo

que para propsitos conservadores se ha seleccionado dicho valor para la carga de viento

longitudinal, mientras que para la carga lateral se emplea una carga de 7.5 lbf/ft2 .

Esta presin se aplica sobre la columna, de forma anloga, los efectos de la velocidad del

viento se pueden expresar como cargas por unidad de longitud, en funcin del rea

transversal proyectada.

3

Donde a es la dimensin perpendicular al eje longitudinal del elemento estructural formada al

proyectar el elemento en un plano perpendicular a la direccin del viento. De esta forma se

obtiene:

Modelado y Simulacin por Elementos Finitos

En este apartado se describe el proceso de modelado del poste de 27m, de forma que

sirva para simular las condiciones de carga a las que va a estar sometido. Para este

estudio se emplea el software de diseo estructural SAP2000, el cual permite realizar

simulaciones con un alto grado de precisin.

Ilustracin 1. Cargas de viento aplicadas al poste. lbf/in

4

Se estudia el comportamiento del poste bajo cargas de viento. Con esto se pretende

visualizar de manera global como reacciona la estructura, es decir, el orden de los esfuerzos

que se presentan en los elementos constituyentes del poste.

Fuerzas Externas

Para el caso del poste, se aplica dos cargas, una en sentido longitudinal y otra en sentido

lateral (la direccin predominante del viento se asume en el eje X). Las magnitudes de estas

cargas fueron las determinadas en la seccin anterior (Ver Ilustracin 1).

Factores y Combinaciones de Carga

La carga total factorizada ser calculada de acuerdo a los expresado por el mtodo LRFD,

esto es:

1

Donde

Resultados del Estudio

En este apartado, se traza segn la teora de factores de carga y resistencia el ndice de

capacidad (Demanda/Capacidad) en la estructura de las torres. Este ndice enmarca los

diferentes tipos de esfuerzos bajo los cuales opera la estructura, sean estos de traccin o

cortantes, y es anlogo al factor de seguridad empleado en el diseo mecnico. Usualmente

se expresa en fraccin o porcentaje, siendo los valores cercanos a 1 un indicativo de

sobrecarga en el elemento. En las ilustraciones se puede observar que los resultados para las

cargas de viento demuestran que los elementos que conforman el poste experimentan

esfuerzos muy por debajo de la resistencia del material.

1 Limit States. En: Steel Bridge Design Handbook Loads and Loads Combinations. U.S. Department

of Transportation. 2012. P 11.

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Ilustracin 2. Representacin del ndice de Capacidad. Tubera 4.

Ilustracin 3. Representacin del ndice de Capacidad. Tubera 6.

6

Ilustracin 4. Representacin del ndice de Capacidad. Tubera 8.

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Elaborado Por

Gabriel Agila S.

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Revisado Por

Ing. Nick Quionez

Registro Profesional No.

1021-08-873402