efectos del viento en las estructuras
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Efectos del Viento en las Estructuras Licenciatura: INGENIERO-ARQUITECTO * Nombre Alumna: Cisneros García Miriam * Materia: Análisis Estructural * Maestro: Loza Jaramillo Rubén 11 agosto 2009 Guadalajara, Jalisco. México.
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Efectos del Viento en las
Estructuras
Licenciatura: INGENIERO-ARQUITECTO
* Nombre Alumna:
Cisneros García Miriam
* Materia:
Análisis Estructural
* Maestro:
Loza Jaramillo Rubén 11 agosto 2009
Guadalajara, Jalisco. México.
Viento
El viento es el movimiento del aire que está presente en la
atmósfera, especialmente, en la troposfera, producido por
causas naturales. Se trata de un fenómeno meteorológico.
La causa de los vientos está en los movimientos de rotación y
de traslación terrestres que dan origen a su vez a diferencias
considerables en la radiación solar o insolación,
principalmente de onda larga (infrarroja o térmica), que es
absorbida de manera indirecta por la atmósfera.
En el diseño, el viento es una acción accidental
desde el punto de vista de las combinaciones
de carga en que interviene y de los factores
de carga que se deben adoptar.
Estructura
Toda construcción está destinada
a soportar su propio peso y la
presencia de acciones
exteriores (fuerzas,
momentos, cargas térmicas,
etc.) sin perder las
condiciones de funcionalidad
para las que fue concebida
ésta.
Una estructura tiene un número
de grados de libertad
negativo o cero, por lo que
los únicos desplazamientos
que puede sufrir son resultado
de deformaciones internas.
El viento en las estructuras
La presión ocasionada por el
viento es proporcional al
cuadrado de la velocidad y
debe ser calculada,
principalmente, en las
superficies expuestas de una
estructura.
Debido a la rugosidad de la
tierra, la velocidad del viento
es variable y presenta
turbulencias.
Sin embargo, se asume que la
edificación asume una
posición deformada debido a
una velocidad constante y que
vibra a partir de esta posición
debido a la turbulencia.
El procedimiento analítico para
evaluar los efectos producidos
por la fuerza del viento
involucra el análisis simple, si
los efectos producidos por la
fuerza del viento no son
fundamentales en el diseño, o
el análisis completo, si por el
contrario, las fuerzas de
viento en algún sentido
resultan determinantes en el
diseño.
Estas cargas dependen de la
ubicación de la estructura, de
su altura, del área expuesta y
de la posición. Las cargas de
viento se manifiestan como
presiones y succiones.
Para un terreno muy liso, como en campo abierto
con vegetación muy baja, el viento mantiene
velocidad muy alta aun muy cerca de la
superficie, mientras que en el centro de ciudades
con edificaciones altas, la velocidad disminuye
muy rápidamente desde una altura de varias
decenas de metros, hasta la superficie del
terreno.
La velocidad gradiente se alcanza a una altura
del orden de 250 m en campo abierto,
mientras que en el centro de una ciudad se
alcanza a cerca de 500 m.
Cuando el libre flujo del
viento se ve obstaculizado
por un objeto fijo, tiene que
desviarse para rodearlo, por
lo cual produce presiones
sobre el objeto.
Las partículas de aire golpean
en la cara expuesta
directamente al efecto del
viento, cara de barlovento,
ejerciendo sobre ella un
empuje.
En la cara opuesta, de
sotavento, las estelas del
flujo se separan del objeto
provocando una succión.
Los dos efectos se suman
dando lugar a una fuerza
de arrastre sobre el objeto.
En las caras laterales se
presenta una distribución
de presiones que varía de
empuje a succión.
La fuerza llamada de
sustentable es importante
en el diseño de secciones
pequeñas y ligeras como los
ángulos que forman las
torres y armaduras.
La forma de la distribución de presiones puede resultar
bastante compleja, dependiendo de la geometría del
objeto.
La velocidad del viento presenta componentes importantes
cuyas fluctuaciones con el tiempo dependen de la
velocidad máxima del flujo, pero que para los vientos de
interés tienen periodos superiores a 2 segundos.
Si excede este tiempo , algunos componentes de fluctuación
de la velocidad pueden entrar en sincronía con la
vibración del edificio y producir amplitudes de
deformación perjudiciales.
Son muchos los casos donde se exceden estos valores y
especialmente en estructuras de bajo amortiguamiento,
como lo son torres y edificios muy esbeltos, antenas y
cubiertas colgantes.
Para algunas formas geométricas particulares,
la perturbación implica la formación de
vórtices que se generan periódicamente y en
forma asimétrica, produciendo vibraciones
en el cuerpo.
En las NTC-Viento del RCDF-87 se especifica el
cálculo de estas presiones de acuerdo a las
características de la estructura.
En general ni se especifican normas de diseño
para el efecto de huracanes o tornados, debido
a que se considera incosteable el diseño contra
estos efectos; sin embargo, se sabe que el
detallado cuidadoso del refuerzo, y la unión de
refuerzos en los sistemas de piso con muros
mejora notablemente su comportamiento.
Cuando las estructuras
impiden el flujo del viento,
la energía cinética de éste
reconvierte en energía
potencial de presión, lo
que causa la carga de
viento.
El efecto del viento sobre una
estructura depende de la
densidad y velocidad del
aire, del ángulo de
incidencia del viento, de la
forma y de la rigidez de la
estructura y de la rugosidad
de su superficie.
Cargas de Viento (w)
Las cargas de viento y
explosiones producen
presión o succión sobre las
superficies expuestas de las
construcciones.
La carga de viento es una
carga muy importante en el
diseño de estructuras altas o
muy flexibles, como los
puentes colgantes, o de gran
superficie lateral, como las
bodegas o grandes
cubiertas.
Los factores que influyen en la magnitud de esta carga
son: la velocidad del viento y su variación con la
altura, la magnitud de las ráfagas, las condiciones
locales de la superficie del terreno circunvecino, la
forma de la superficie expuesta al viento, la zona o
región; es especialmente crítico el efecto en aquellas
zonas del mar Caribe sometidas a huracanes o
ciclones, que producen velocidades del viento
superiores a los 200 KMH.
La presión del viento ha causado muchos daños
inesperados.
Durante los procesos de construcción es común que las
paredes de ladrillo o de bloques de concreto, queden
sin apoyo hasta que se construyan los elementos de
amarres de los techos, con lo que vientos ligeros
pueden derribar estos muros sin apuntalamiento,
debido a la gran superficie expuesta a la presión del
viento.
Las estructuras muy flexibles
como los cables de transmisión
o los puentes colgantes pueden
recibir fuerzas periódicas que
inducen vibraciones, causando
hasta la falla.
Es famosa la falla del Puente de
Tacoma (USA), en 1940, que
con un viento suave entró en
resonancia, produciéndose su
colapso, que afortunadamente
sirvió para impulsar el estudio
del fenómeno y definió un
nuevo rumbo en el diseño de
puentes colgantes y en la
consideración del efecto
dinámico del viento como
carga o acción estructural.
La norma NSR-98, presenta métodos para
evaluar el efecto del viento sobre las
edificaciones y sus componentes.
En el denominado método simple, que puede
aplicarse cuando los efectos producidos por
el viento no son fundamentales en el diseño,
la fuerza de viento W se obtiene
multiplicando la presión del viento p, por el
área lateral de la edificación.
Velocidad de viento de diseño
El parámetro básico que se requiere estudiar para
fijar la intensidad de la acción de diseño es la
velocidad máxima con que el viento puede actuar
sobre la estructura durante la existencia de ésta.
La mayoría de los reglamentos recienten afirman que
las velocidades que establecen para el diseño de
las estructuras comunes corresponden a periodos
de recurrencia de alrededor de 50 años, lo que
implica una probabilidad de 63% de que dicha
velocidad sea excedida por lo menos una vez en
50 años, que es lo comúnmente aceptado como
duración deseable de una estructura.
La información directa con que se cuenta
consiste en los resultados registrados de
anemómetros colocados en estaciones
meteorológicas ubicadas en aeropuertos y en
otras instalaciones.
En México la regionalización eólica incluida en
el Manual de CFE esta basada en un análisis
estadístico del tipo del realizado para los
datos de 30 estaciones meteorológicos.
Procedimientos de diseño por viento
El efecto del viento debe analizarse en relación
con las fuerzas que se inducen sobre el sistema
principal de la estructura y también deben
analizarse los efectos locales en elementos
estructurales aislados y en elementos no
estructurales, tanto en el exterior como en el
interior de la construcción.
El viento puede actuar en cualquier dirección,
debe investigarse cuál es la dirección que
produce efectos más desfavorables en la
estructura.
En edificios regulares y en otras estructuras
comunes es suficiente revisar en forma
independiente la acción del viento en dos
direcciones ortogonales que coinciden con los
ejes principales del sistema estructural.
En las estructuras comunes será suficiente
considerar el efecto estático del viento
determinando las presiones o succiones que
actúan en dirección perpendicular a la
superficie expuesta al viento.
La velocidad del viento depende de los
siguientes factores:
* De la ubicación geográfica de la construcción.
* De las características topográficas locales del
sitio en lo relacionado con la rugosidad de la
superficie.
* De la altura sobre el nivel del terreno de la
porción de la estructura que se está
considerando.
* De la importancia de la construcción.
* De la sensibilidad de la estructura a los efectos
de ráfaga.
Para un edificio de paredes cerradas, la
trayectoria de las líneas de flujo del aire se
muestra:
De ella se deduce que el viento produce un
empuje sobre la cara de barlovento y
succiones en la cara de sotavento y en el
techo.
En techos inclinados, si la pendiente es muy
grande llega a generarse empuje en la cara
de barlovento del techo.
La distribución de presiones medida en un modelo de edificio de
geometría similar al anterior sujeto en túnel de viento a una
velocidad constante del aire.
La presión es constante en cada una de las dos caras normales a la
dirección del flujo, lo que permite especificar un factor de forma
constante para la cara de barlovento y otro para la de sotavento.
En las caras laterales y en el techo se presentan succiones muy altas en
las zonas adyacentes a la cara de barlovento y valores mucho
menores en zonas más alejadas de esta cara.
Webgrafía
http://climatologiayparapente.blogspot.com/2
008_11_01_archive.html
Bibliografía
Manual de Diseño Estructural
Roberto Meli Piralla
Tomo 1
Grupo Noriega Editores
Páginas 201 -215
