Cargas de Viento - Gilberto Areiza

Cargas de Viento Cargas de Viento Gilberto Areiza Palma Ingeniero Civil, M Sc Profesor Titular Universidad del Valle Cali, Octubre 14 de 2009

Marco Teórico •

Los movimientos del aire en la atmósfera se producen principalmente por la acción de la gravedad en las masas de aire de diferente densidad. El aire frío desciende y el caliente se ubica sobre el primero generando un cambio bi de d formas f d energía: de í la l energía í potencial t i l se convierte i t en cinética. i éti

•

Estos movimientos de las masas de aire crean corrientes de viento que ejercen presiones sobre los obstáculos que se encuentran en su trayectoria.

•

La evaluación de estos efectos se determina como la presión dinámica que ejerce el viento tratado como un fluido la cual es convertida a una presión estática equivalente mediante una serie de consideraciones.

Marco Teórico •

Suponiendo que el aire es un fluido no viscoso e incompresible (válido para las velocidades de viento para las cuales se diseñan las estructuras), la presión se puede evaluar con la ecuación de Bernoulli: Presión Dinámica q = ½∙ρ∙V2   (Bernoulli) Presión dinámica a Presión estática equivalente q = presión dinámica ρ = densidad del aire = 1.25 1 25 k/m3 V = velocidad básica del viento (m/s) q = 0.5x1.25xV2 = 0.625V2

Marco Teórico •

Velocidad básica del viento: Depende del período que se considere para su evaluación: ‐ Velocidad máxima mensual ‐ Velocidad máxima anual ‐ Velocidad máxima promedio ‐ Velocidad máxima esperada en x años con una probabilidad p de ser excedida ‐ Velocidad de ráfaga con una duración t y una probabilidad p de ser excedida NSR‐98: velocidad de ráfaga de 3 segundos de duración y probabilidad de ser excedida did una vez en 50 años ñ

Marco Teórico ASCE 7‐05: velocidad “fastest mile” definida como la velocidad promedio de un viento con un frente de onda de 1 milla de longitud. Ejemplo: Suponiendo V = 60 mph D = distancia = 1 milla t = D / V = 1 milla / (60 mph) = (1/60) horas = 1 min. = 60 segs. Para obtener P bt velocidades l id d de d viento i t equivalentes i l t con diferentes dif t períodos í d promedio Durst (1960), como resultado de varias investigaciones, propuso el gráfico mostrado a continuación que relaciona el cociente entre la velocidad de viento probable para un tiempo t Vt con la velocidad esperada en una hora Vh

Marco Teórico Gráfico de Durst (1960) – Conversión de velocidad promedio Vt = velocidad máxima probable en un tiempo t Vh = velocidad máxima probable en una hora

Marco Teórico Ejemplo: Convertir una velocidad “fastest mile” de 120 kph (75 mph) a una velocidad de ráfaga de 3 segundos de duración. Solución: Vfm = 75 mph t = 1 milla / (75 mph) = 0.01333 horas = 0.80 min. = 48 segs. Del gráfico el factor para t = 48 segs es 1.27 Vh = 120 / 1.27 1 27 = 94.49 94 49 kph k h Del gráfico el factor para t = 3 segs es 1.52 Vt = 94.49 x 1.52 = 143.62 kph (velocidad máxima esperada de ráfaga de 3 segundos de duración)

Marco Teórico •

Velocidad del viento de diseño: Depende de múltiples factores:  ‐ Rugosidad del terreno ‐ La altura a la cual se mida ‐ Las características topográficas del lugar ‐ La localización geográfica del lugar (mapa de amenaza eólica) La localización geográfica del lugar (mapa de amenaza eólica)

•

La velocidad del viento de diseño se halla partiendo de la velocidad básica d l viento del i t afectada f t d por una serie i de d factores f t que tienen ti en cuenta t factores como: topografía del lugar, rugosidad del terreno, tamaño de la edificación, su altura sobre el terreno, su mportancia y ráfagas

Marco Teórico

Altura H

Presion Dinámica q

Mapa de Amenaza Eólica

Marco Teórico •

La evaluación de las presiones ejercidas por el viento debe tener en cuenta factores adicionales: ‐ Turbulencias ‐ Presencia de obstáculos ‐ Patrón de flujo alrededor de la edificación ‐ La dirección del viento ‐ Las dimensiones de la edificación: largo, ancho y altura ‐ Las L relaciones l i entre t sus dimensiones di i

Marco Teórico 1.

Obstrucción

2.

Obstrucción + superficie  inclinada

3.

Obstrucción + superficie de  mayor inclinación

Introducción –– Normas de Diseño Introducción  •

Una norma es un documento de interés y reconocimiento general que por medio de prácticas comunes y actuales, experiencias pasadas y conocimientos adquiridos por medio d la de l investigación, i ti ió presenta t una serie i de d criterios it i té i técnicos para desarrollar algún procedimiento.

•

Creación ó - proceso de CONSENSO GENERAL. Representa resultados de acuerdos socio-políticos, económicos y técnicos entre académicos, consultores y profesionales de la industria de la construcción. ó

Historia de las Especificaciones de Viento 1.

DECRETO 1400/1984 / BSI-1980 (Traducción) Pw=0.005*V2w(H/10)2/7 Velocidad básica = 100 km/hr (todo el territorio)

2. FEDESTRUCTURAS “C it i d “Criterios de cargas d de viento i t para el diseño de construcciones” + Mapa de riesgo eólico – ISA 3. NSR-98 – Capitulo B.6 Dos métodos – Simple p y Completo p Mayores posibilidades ¼BSI-1995

Carga de viento: NSR‐ Carga de viento: NSR‐98 REFERENCIA: NSR‐98 – CAPITULO B.6 El efecto del viento se debe tener en cuenta en el diseño como una carga estática cuyo valor se establecerá de acuerdo con los procedimientos definidos en la metodología correspondiente. Métodos: – Análisis simple – Análisis completo Análisis completo

Procedimiento análisis simple P ió Presión producida por el viento: d id l i t

p = Cp . q . S4

Donde: Cp = coeficiente de presión – = coeficiente de presión – Tablas B.6.4‐2 y B.6.4‐3 Tablas B 6 4‐2 y B 6 4‐3

Procedimiento análisis simple q = Valores obtenidos  en función de la velocidad básica del viento (Mapa de  Valores obtenidos en función de la velocidad básica del viento (Mapa de amenaza eólica) y la altura de la edificación (Presión dinámica del viento)  Tablas B.6.4‐1

Procedimiento análisis simple S4 = coeficiente de densidad del aire – = coeficiente de densidad del aire – Tabla B.6.6 Tabla B 6 6

Procedimiento análisis completo 9 Paso 1: P 1 Determinar velocidad del viento básico (V) (Mapa de amenaza eólica) D i l id d d l i bá i (V) (M d óli ) Figura B.6.5.1

Procedimiento análisis completo 9 Paso 2: P 2 Determinar D i

→ → 

Vs = V · S1 · S2 · S3

Donde: Vs: Velocidad del viento de diseño S1: Coeficiente de topografía – Tabla B.6.5‐1

Procedimiento análisis completo S2: Coeficiente de rugosidad del terreno, del tamaño del edificio y de altura  C fi i d id d d l d l ñ d l difi i d l sobre el terreno – Tabla B.6.5‐2

Procedimiento análisis completo S3: Coeficiente que tiene en cuenta el grado de seguridad y de vida útil de la  C fi i i l d d id d d id ú il d l estructura. Depende del grupo de uso: – Artículo B.6.5.6

*Construcciones temporales, estructuras agrícolas y de almacenamiento

Procedimiento análisis completo 9 Paso 3: P 3 Determinar la presión dinámica del viento (q) D i l ió di á i d l i ( ) q = 0.000625 · Vs2 · S4

(KN/m2) →

Vs: m/s

q = 0.000048 · Vs2 · S4

(KN/m2) →

Vs: Km/Hora

9 Recordar:

1m Seg

=

3 6 Km 3.6 Hora

S4 : Coeficiente de densidad del aire – Tabla B6.6 →

Procedimiento análisis completo 9 Paso 4: P 4 Presión ejercida por el viento(p) P ió j id l i ( )

→

p = Cp . q

Donde: q: Presión dinámica del viento determinada en el paso 3 q: Presión dinámica del viento determinada en el paso 3 Cp: Coeficiente de presión.

→ Cp = Cpe . Cpi

Cpe : Coeficiente de presión externa Cpi : Coeficiente de presión interna F : Fuerza ejercida por el viento → F = (Cpe . Cpi) . q . A A : Área de la superficie expuesta al viento Alternativamente:

→ F = Cf . q . Ae

Donde: Ae : Área frontal efectiva Cf : Coeficiente de fuerza : Coeficiente de fuerza

PROCEDIMIENTO ANÁLISIS COMPLETO Simplificación: para cubiertas usar Cp – (Tablas B.6.7‐7 y B.6.7‐7a)

PROCEDIMIENTO ANÁLISIS COMPLETO

Ejemplo No.1: Determinar las cargas de viento sobre la cubierta de la bodega Especificaciones: 9Localización: Cali 9Cubierta: Teja sin traslapo 9Distancia máx. entre correas = 175cm

Ejemplo No.1 tanα = 5000 = 0.28 18000 α = 15.55º S Sen α =0.27 0 27 Cos α =0.96

Ejemplo No.1: Solución Análisis Simple NSR‐98 • Cali: Cali: Región 3 Región 3 → V  V = 100Km/h    100Km/h – Mapa de Amenaza Eólica Mapa de Amenaza Eólica • Altitud: 990m SNM p = Cp . q . S4

Presión del viento normal a la superficie

• Coeficiente de densidad del aire → S4 = 0.94 • h = 13m • V = 100Km/H V 100K /H

q = 0.62KN/m q 0.62KN/m2 = 62 Kg/m 62 Kg/m2 – (Tabla B.6.4 (Tabla B.6.4‐ 1) • Coeficiente de presión CP : Aleros → CP = ‐1.50 Superficies Inclinadas  ‐ (Tabla B.6.4‐3) →B l → Barlovento: C CP = ‐0.70 0 70 → Sotavento:   CP = ‐0.50 Entonces

p = Cp × 62 × p = C 62 × 0.94 = 58.28 C 0 94 = 58 28 CP (Kg/m2)

Ejemplo No.1: Solución Análisis Simple NSR‐98 Aleros : Aleros :  Barlovento :  Barlovento : 

p = ‐1 5 × 58.28 = ‐87.42 K/m p = ‐1.5 × 58 28 = ‐87 42 K/m2 p = ‐0.7 × 58.28 = ‐40.80 K/m2 p = ‐0.5 × 58.28 = ‐29.14 K/m2

Ejemplo No.1: Solución Análisis Completo NSR‐98 Paso 1: Cali  Paso 1: Cali ‐ Región 3   →   V  Región 3 → V = 100Km/h    100Km/h – Velocidad Velocidad del viento Básico del viento Básico (Mapa de Amenaza Eólica Paso 2: Vs = V · S1 · S2 · S3 →  Velocidad del viento de diseño • Coeficiente de Topografía

→  S1 = 1.10    – Tabla B.6.5‐1

• Coeficiente Coeficiente de rugosidad del terreno, del tamaño del edificio y altura de rugosidad del terreno del tamaño del edificio y altura sobre el terreno →  S2 = 1.03    – Tabla B.6.5‐2 q g g y • Coeficiente que tiene en cuenta el grado de seguridad y de vida útil de la estructura. Depende del grupo de uso:              Artículo B.6.5.6 Entonces

VS = 100 × 1.1 × 1.03 × 0.95 = 107.64 Km/Hora

Ejemplo No.1: Solución Análisis Completo NSR‐98 Paso 3: Paso 3:

q = Presión dinámica del viento q = Presión dinámica del viento q = 0.000048 ∙ Vs2 ∙ S4 (KN/m2)  →  Vs en Km/Hora

• Coeficiente de densidad del aire     →  S4 = 0.94   – Tabla B.6.6 q = 0.000048 × (107.64)2 × 0.94 = 0.52KN/m2 = 52.27 Kg/m2

Entonces

Paso 4: p = Presión del viento p = CP × q

Donde: CP = Coeficiente de presión CP = Cpe – Cpi q = 52.27 Kg/m q  52.27 Kg/m2 p = (Cpe – Cpi) ∙ q

Simplificación: para cubiertas usar p = CP × q p = C

CP = Coeficiente de presión p Usar tablas B.6.7‐7 y B6.7‐7a

Ejemplo No.1: Solución Análisis Completo NSR‐98 • h  h = 13m 13m • V = 100Km/H

13 0 36 0 9 → U t bl B 6 7 7 = 0.36