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Caṕıtulo 2 Efectos del viento sobre las construcciones 2.1 Caracteŕısticas del viento 2.1.1 Velocidad La acción del viento sobre las construcciones corresponde a la clasificación de cargas variables discutida en el caṕıtulo precedente. La dirección del viento puede considerarse horizontal, a los efectos del cálculo de sus efectos sobre las edificaciones. La velocidad del viento en un punto dado, siendo una magnitud vectorial, puede representarse a través de sus componentes según un sistema cartesiano de referencia. Si se designa con x1 al eje orientado según la dirección de escurrimiento del viento, y con x2 y x3 a las otras dos direcciones ortogonales, la variación en el tiempo de la velocidad del viento puede representarse como en la figura 2.1. Si se toma un intervalo de tiempo T y se calcula la velocidad media en ese intervalo, se tendrá para la componente según x1: V̄1 = 1 T ∫ T 0 V1dt (2.1) donde se designa con V1 la velocidad según x1 y V̄1 su valor medio a lo largo del intervalo T . Debido a la particular adopción de los ejes cartesianos, para las otras dos componentes la media es nula: V̄2 = 1 T ∫ T 0 V2dt = 0 (2.2) V̄3 = 1 T ∫ T 0 V3dt = 0 (2.3) La velocidad puede descomponerse en un valor medio V̄ , constante, y una parte que varia con el tiempo v : V1 = V̄1 + v1 (2.4) Para las componentes 2 y 3, debido a su valor medio nulo: V2 = v2 (2.5) V3 = v3 (2.6) 21 22 CAPÍTULO 2. EFECTOS DEL VIENTO SOBRE LAS CONSTRUCCIONES t V3V3 V V1V1 V1V1 t 2 t _ 0 0 0 T T T (a) (b) x3x3 x1x1 x2x2 v3v3 v1v1 v2v2 V1V1 _ Figura 2.1: Velocidad del viento La parte estacionaria V̄1 es el flujo medio del viento y la acción estática del viento depende de este valor. La parte variable con el tiempo (v1, v2, v3) se denomina turbulencia, es de carácter aleatorio, y responsable de la acción dinámica del viento sobre las edificaciones. La velocidad del viento vaŕıa con la altura con respecto al nivel del suelo y su forma de variación depende de la rugosidad del terreno. En la figura 2.2 se muestra el perfil t́ıpico para tres casos de rugosidad distintas: uno de gran rugosidad (por ejemplo con grandes edificios), otro con rugosidad media (construciones bajas) y uno con baja rugosidad (suelo liso). El perfil de velocidades se trata de ajustar mediante fórmulas emṕıricas. Algunas de estas fórmulas propuestas son: V (z) V (z0) = ( z z0 )α (2.7) ó: V (z) V (z0) = K ln( z z0 ) (2.8) siendo z la altura del punto donde se evalua la velocidad y z0 una altura de referencia. Muchas veces las normas proporcionan no la variación de velocidades sino de presiones con la altura. Ambas magnitudes están relacionadas, como se verá más adelante. La velocidad del viento es una magnitud aleatoria. La función temporal de la velocidad, cuyos valores son aleatorios, se denomina proceso estocástico. A continuación se transcriben dos definiciones utilizadas por el reglamento CIRSOC 102: Velocidad de referencia: es la velocidad correspondiente al promedio de velocidades ins- tantáneas (picos de ráfaga), medidas sobre intervalos T = 3s, en exposición abierta, a la altura de referencia z0 = 10m, que tiene un peŕıodo de recurrencia de 1 año. Velocidad básica de diseño: es la velocidad correspondiente al promedio de velocidades ins- tantáneas (picos de ráfaga), medidas sobre intervalos T = 3s, en exposición abierta, a la altura de referencia z0 = 10m, que tiene una probabilidad Pm de ser excedida una vez en m años. 2.1. CARACTERÍSTICAS DEL VIENTO 23 Figura 2.2: Variacion de la velocidad del viento con la altura. a) Rugosidad alta; b) Rugosidad media; c) Rugosidad baja 2.1.2 Presión Para describir la presión del viento, se hará referencia al Teorema de Bernouilli, que vincula presiones y velocidades de un fluido en movimiento: 1 2 ρ V 2 + p + ρgz = constante (2.9) En esta expresión ρ designa la masa espećıfica del fluido, V su velocidad, g la aceleración de la gravedad, z la altura y p la presión estática. Si se consideran dos puntos sobre una ĺınea de escurrimiento de un fluido (Figura 2.3), la suma de los tres términos del miembro izquierdo permanece constante. Esto representa un balance de enerǵıa: el primer término representa una enerǵıa cinética, el segundo una enerǵıa debido a la presión y el tercer término una enerǵıa potencial debido a la posición. Este último término puede despreciarse para calcular la presión del viento sobre las construcciones ya que la variación de alturas no será tan importante como para que la diferencia en la presión hidrostática adquiera significación. El primer término se denomina presión dinámica: q = 1 2 ρV 2 (2.10) Los otros dos forman la presión estática y la suma todos es la presión total que, conforme al teorema de Bernouilli, es constante a lo largo de una ĺınea de flujo. En la figura 2.3 se ha dibujado un obstáculo en el flujo del viento. En un punto suficien- temente alejado del obstáculo se tendrán los valores V∞ y p∞. Considerando una trayectoria particular del fluido, puede llegarse al punto denominado de estancamiento, que es aquel en el cual una part́ıcula del aire se detiene (punto e de la figura 2.3). La presión total en el punto ∞ es: pTot∞ = 1 2 ρV 2∞ + p∞ (2.11) 24 CAPÍTULO 2. EFECTOS DEL VIENTO SOBRE LAS CONSTRUCCIONES Figura 2.3: Presión del viento sobre un objeto y aquella en el punto de estancamiento: pTote = 0 + pe (2.12) La diferencia entre la presión estática en el punto e y la presión atmosférica (p∞), teniendo en cuenta que pTote = p Tot ∞ (2.13) es igual a la presión dinámica: ∆pe = pe − p∞ = q (2.14) Para el caso del viento, siendo la masa espećıfica del aire en condiciones normales ρaire � 0, 125kgf s 2 m4 (2.15) la presión dinámica puede calcularse con la fórmula: q = V 2 16 (2.16) estando alĺı q expresada en kgf m2 y V en ms . 2.2 Acciones del viento Antes de considerar la acción del viento sobre una construcción se introducirán algunas defini- ciones. Se define como superficie a barlovento aquella de la construcción que mira hacia la dirección desde donde viene el viento. Superficie a sotavento es aquella que mira hacia donde va el viento. Las normas usan el siguente śımil: si se ilumina la construccion con un haz luminoso paralelo a la dirección del viento, la superficie iluminada es la superficie a barlovento. La que queda en sombras es la superficie a sotavento. Se define también como superficie maestra aquella que resulta de proyectar la construcción sobre un plano perpendicular a la dirección del viento. La acción que ejerce el viento sobre una pared de la construcción depende de: • la velocidad del viento 2.2. ACCIONES DEL VIENTO 25 • la forma de la construcción y sus proporciones • el emplazamiento del elemento (altura, protección,etc.) y su orientación • dimensiones del elemento (escala) 2.2.1 Coeficientes de presión Coeficiente de presión externa (ce) Si se considera un punto de la superficie exterior de un cuerpo sometido al viento, tal como el punto n de la figura 2.3, puede escribirse la expresión del teorema de Bernouilli como: 1 2 ρV 2∞ + p∞ = 1 2 ρV 2n + pn (2.17) El incremento de presión, por encima de la presión atmosférica, es: ∆p = pn − p∞ = 12ρV 2 ∞ [ 1 − ( Vn V∞ )2] (2.18) que, con la definición de presión dinámica, puede escribirse: ∆pext = ce q (2.19) introduciéndose la definición del coeficiente de presión externa: ce = [ 1 − ( Vn V∞ )2] (2.20) A partir de esta definición surgen los siguientes casos particulares: • si Vn = 0, ce = 1, (punto de estancamiento) • si Vn = V∞, ce = 0 • si Vn > V∞, ce < 0 y se produce succión • si Vn < V∞, ce > 0 y se produce presión (o sobrepresión) Coeficiente de presión interna (ci) Si el cuerpo considerado no es macizo, pueden producirse presiones debidas al viento en la cara interior de las paredes. El valor de esta presión se define, análogamente a la anterior,como: ∆pint = ciq (2.21) siendo ci el coeficiente de presión interna. Este coeficiente depende de la permeabilidad de la construcción (porcentaje de aberturas de una pared) y de la orientación de las aberturas en relación a la dirección del viento. Puede ser positivo (sobrepresión) o negativo (succión). Coeficiente de presion sobre una pared (c) La presión del viento sobre una pared será la suma de las presiones ejercidas sobre las caras exterior e interior de la misma. De acuerdo a las definiciones introducidas, puede escribirse: c = ce − ci (2.22) 26 CAPÍTULO 2. EFECTOS DEL VIENTO SOBRE LAS CONSTRUCCIONES ∆p = c q (2.23) Al evaluar la presión sobre una pared debe considerarse el signo del coeficiente de presión interna que resulte en una combinación más desfavorable con el coeficiente de presión externa. Acción total sobre una pared La acción total sobre una pared se obtiene integrando las presiones unitarias y puede definirse como F = ∫ A ∆p dA = c qm A (2.24) siendo c = ce − ci el coeficiente de presión, qm la presión media, y A el área de la pared. Acciones de conjunto En algunos casos puede definirse la acción global sobre un cuerpo, esto es la resultante de las acciones sobre todas las caras del mismo. La acción total tendrá una dirección que, en general no coincide con la del viento, y puede ser descompuesta en tres componentes. Una horizontal en la dirección del viento: empuje (E); otra horizontal perpendicular a la dirección del viento: deriva (D); y la tercera vertical: levantamiento (L). Pueden calcularse como: E = cE qm A (2.25) D = cD qm A (2.26) L = cL qm A (2.27) donde cE es el coeficiente de empuje, cD el coeficiente de deriva y cL el coeficiente de levan- tamiento. qm es el valor medio de la presión sobre la construcción, y A es un área de referencia que se especifica en cada caso. Aśı para calcular el empuje, A puede ser el área de la superficie maestra, para el levantamiento puede ser el área en planta, etc. La distribución de presiones sobre la construcción puede originar momentos de torsión (esto es con respecto a un eje vertical), aún en construcciones de planta regular. Ese momento de torsión puede también especificarse como: MT = cT qm A L (2.28) siendo cT un coeficiente de torsión, A una superficie de referencia y L una longitud caracteŕıstica. Coeficientes de presiones locales Las presiones en proximidades de bordes, aristas, ángulos de cubiertas, aleros, etc., son mayores que las presiones medias. Pueden definirse coeficientes de presión externa locales c′e para verificar localmente esas zonas. 2.2.2 Efecto de las proporciones Además de la influencia de la altura, y del área de la construcción sobre las fuerzas del viento, las proporciones de las construcciones influyen en los coeficientes de acciones del viento. A continuación se ejemplifica esta influencia para algunas construcciones paralelepipédicas, con datos experimentales obtenidos por J. Blessmann. Altura relativa La relación entre la altura y el ancho de la cara expuesta al viento (barlovento) influye sobre el coeficiente de empuje. Esto se muestra en la figura 2.4 donde se indican los coeficientes de empuje para un paraleleṕıpedo de base cuadrada y diferentes alturas. Es de hacer notar que 2.2. ACCIONES DEL VIENTO 27 esa influencia es sobre el coeficiente de empuje, vale decir que no se refiere a la variación de las presiones del viento con la altura, ni el área de la superficie maestra, que también variaŕıan al aumentar la altura del edificio. Profundidad relativa En la figura 2.5 se muestra el efecto de la profundidad relativa, esto es la relación profundidad- ancho, de un edificio paralelepipédico, sobre el coeficiente de empuje global. Profundidad se refiere a la dimensión del edificio en la dirección del viento, y el ancho puede ser la menor dimensión de la cara a barlovento. 2.2.3 Efecto de la forma La forma del cuerpo influye en el coeficiente de empuje. En la figura 2.6 se dan algunos valores de coeficiente de empuje y del empuje relativo para perfiles con distintas formas. 2.2.4 Interacción entre construcciones Los coeficientes de presión sobre un edificio vaŕıan con la presencia de otro edificio vecino. A veces los coeficientes aumentan y otras veces disminuyen. Por ejemplo, si la presencia del segundo edificio es tal que el viento resulta “encajonado” entre ambos, la succión en las paredes aumenta, como se muestra en la figura 2.7. Hay una separación cŕıtica para la cual se dan las mayores succiones. En ensayos realizados en la Universidad Federal do Rio Grande do Sul, Brasil, se obtuvieron resultados que se indican en la figuras 2.8 y 2.9, para dos edificios prismáticos de base cuadrada y altura 6 veces el lado de la base. Los ensayos se realizaron para viento suave y para viento turbulento. En el caso en que los dos edificios están alineados con la dirección del viento (figura 2.8) se dan los resultados para el coeficiente de empuje del edificio a sotavento. Puede observarse que la fuerza de empuje es negativa (es decir opuesta a la dirección del viento) para las separaciones indicadas en la figura. 28 CAPÍTULO 2. EFECTOS DEL VIENTO SOBRE LAS CONSTRUCCIONES Figura 2.4: Efecto de la altura relativa sobre el coeficiente de empuje global 2.2. ACCIONES DEL VIENTO 29 Figura 2.5: Efecto de la profundidad relativa sobre el coeficiente de empuje global Figura 2.6: Efecto de la forma sobre el coeficiente de empuje global 30 CAPÍTULO 2. EFECTOS DEL VIENTO SOBRE LAS CONSTRUCCIONES Figura 2.7: Efecto de la presencia de otro edificio. Coeficiente de presión externa cpe en las caras enfrentadas cerca del borde a barlovento sx a E viento sx / a CE 0,10 0,25 0,50 1,00 2,00 solo -0,19 -0,20 -0,34 -0,14 -0,16 +1,46 modelo Figura 2.8: Efecto de la presencia un edificio a barlovento sobre el coeficiente de empuje global 2.2. ACCIONES DEL VIENTO 31 Figura 2.9: Efecto de la presencia de otro edificio sobre el coeficiente de empuje global 32 CAPÍTULO 2. EFECTOS DEL VIENTO SOBRE LAS CONSTRUCCIONES Figura 2.10: Vórtices de Karman 2.3 Acción dinámica del viento La turbulencia del viento produce excitaciones dinámicas sobre la construcción. Algunas de ellas son más sensibles a esta acción dinámica y es necesario en esos casos tenerla en cuenta en el proyecto estructural. La respuesta de la construcción dependerá de su forma, de los materiales, de su frecuencia fundamental de vibración y del amortiguamiento. En general la acción dinámica del viento puede ser originada por una de las siguientes causas: 1) Vórtices de Karman: En construcciones ciĺındricas, tales como chimeneas, etc., según la velocidad del viento, puede haber un desprendimiento alternado de vórtices (Figura 2.10). Estos provocan fuerzas periódicas que pueden originar vibraciones transversales del edificio. La frecuencia de desprendimiento de los vórtices es función de la forma y de las dimensiones de la construcción, de la velocidad del viento y del número de Reynolds, y puede estimarse con la fórmula f = S V L (2.29) siendo V la velocidad del viento, L una longitud caracteŕıstica del problema, que en este caso puede ser el diámetro de la construcción ciĺındrica, y S el denominado número de Strouhal. Este número depende de la forma de la construcción, del número de Reynolds, de las caracteŕısticas de turbulencia del flujo y del movimiento de oscilación de la construcción. Para un cilindro empotrado en su base, S = 0.20 independientemente del número de Reynolds. Hay una velocidad cŕıtica que provoca resonancia: Vcrit = fnL S (2.30) donde fn es la frecuencia natural de la construcción. Observación: El número de Reynolds (si bien no se requiere expĺıcitamente en las expresiones anteriores) puede calcularse como Re = V d νc = 7 × 104 V d siendo V la velocidad del viento en m/s, d el diámetro del cilindro en m y νc la viscosidad cinemática del aire (νc ∼ 14.5 × 10−6 m2s ). 2.3.ACCIÓN DINÁMICA DEL VIENTO 33 2) Vibraciones autoinducidas: Éste es el efecto de vórtices que se desprenden en resonancia con la estructura. Ésto puede amplificar el efecto que produciŕıa simplemente el desprendimiento de vórtices. Un caso de estas oscilaciones se dió en el puente de Tacoma, en los Estados Unidos que colapsó, en noviembre de 1940,para un viento de 68 km/h cuando hab́ıa sido calculado para resistir esfuerzos estáticos de vientos de 160 km/h. En ese caso las deformaciones se produjeron principalmente en un modo de torsión. 3) Golpe o martilleo (buffeting): Ésto es la excitación de una construcción por la turbulencia en la estela de otra construcción. Ello provoca no sólo excitaciones dinámicas sino también modifica sustancialmente las presiones estáticas sobre la construcción. 4) Galope: Ciertas formas de sección transversal tales como secciones cuadradas, rectangulares, trian- gulares o semicirculares, son suceptibles de oscilaciones por inestabilidad aerodinámica. Este efecto se observó en ĺıneas de transmisión eléctrica cubiertas con una capa de hielo. No pueden iniciarse estas oscilaciones desde el reposo sino que precisan ser iniciadas por otro efecto (por ej. ráfagas de viento, o vórtices alternados). Al vibrar perpendicularmente a la dirección del viento aparecen fuerzas de presión perpendiculares al viento que pueden amplificar la vibración. Son propensas a este fenómeno estructuras livianas y flexibles, con formas simples. 5) “Agitación” (flutter): Es un tipo de inestabilidad que involucra el acoplamiento entre dos modos de vibración, por ej. flexión y torsión. Es un fenómeno t́ıpico de estructuras largas y esbeltas, tales como puentes colgantes. 6) Oscilación por la enerǵıa contenida en las ráfagas: Las ráfagas de viento pueden influir en los fenómenos descriptos anteriormente, pero también pueden producir directamente vibraciones en las construcciones. Un procedimiento simplificado para su consideración fue introducido por Davenport (1966) adoptando un factor de ráfaga F y calculando la presión de cálculo p como p = F p̄ (2.31) siendo p̄ la presión estática de cálculo. Las acciones dinámicas del viento están consideradas en la Recomendación CIRSOC 102-1. Alĺı se divide a las acciones en paralelas y perpendiculares al viento. Solamente precisan ser verificadas dinámicamente las construcciones que tienen un peŕıodo fundamental de vibración mayor que 1 segundo y un amortiguamiento menor que 1% del amor- tiguamiento cŕıtico . En ese caso hay dos posibilidades: • Si el peŕıodo fundamental está comprendido entre 1 y 2 segundos, y la altura del edificio no es mayor que 100 metros. En ese caso basta con calcular el factor de ráfaga F = √ h 20 + 0, 68 ≥ 1, 0 (2.32) y mayorar la presión estática como se indicó arriba. 34 CAPÍTULO 2. EFECTOS DEL VIENTO SOBRE LAS CONSTRUCCIONES • Si el peŕıodo es superior a 2 segundos deben aplicarse procedimientos como aquellos con- tenidos en la Recomendación CIRSOC 102-1. El cálculo del peŕıodo fundamental para edificios puede realizarse mediante fórmulas emṕıricas como las siguientes: • Para edificios con estructura constituida por tabiques de mamposteŕıa T = 0, 06 h√ L √ h 2L + h (2.33) donde T es el peŕıodo en segundos, L es la longitud del edificio en planta en la dirección del viento, expresada en metros, y h es la altura del mismo, en metros. • Para edificios con estructura constituida por tabiques de hormigón armado T = 0, 08 h√ L √ h L + h (2.34) • Para edificios con estructura constituida por pórticos de hormigón armado T = 0, 09 h√ L (2.35) 2.4 Determinación de cargas reglamentarias El cálculo de las presiones estáticas del viento en las construcciones, mediante el Reglamento CIRSOC 102, se realiza en los siguientes pasos: 1) Velocidad básica de diseño (V0): V0 = cp β (2.36) donde: • β: velocidad de referencia Depende de la ubicación geográfica de la construcción (figura 2.11). Está dada en la Tabla 1 del Reglamento CIRSOC 102. Por ejemplo, para Santa Fe es 30m/s • cp: coeficiente de velocidad probable. Tiene en cuenta la importancia de la obra y el peŕıodo de vida de la misma. Grupo cp Peŕıodo de Probabilidad vida (años) de excedencia 1 edificios de importancia pública 2,13 50 0,20 2 edificios comunes 1,65 25 0,50 3 silos, galpones, etc. 1,45 10 0,50 4 construcciones precarias 1,16 2 0,50 2) Presión dinámica básica (q0): q0 = V 20 16 (2.37) 2.4. DETERMINACIÓN DE CARGAS REGLAMENTARIAS 35 Figura 2.11: Velocidad de referencia 36 CAPÍTULO 2. EFECTOS DEL VIENTO SOBRE LAS CONSTRUCCIONES donde V0 está expresada en m/s y q0 en kgf/m2; o bien q0 = 0, 000613V 20 (2.38) donde V0 está expresada en m/s y q0 en kN/m2. 3) Presión dinámica de cálculo (qz): qz = czcdq0 (2.39) donde: • q0: es la presión dinámica básica • cz: es un coeficiente de variación con la altura. Además de la altura tiene en cuenta la rugosidad del terreno. cz = ln ( z z0,i ) ln ( 10 z0,1 ) 2 ( z0,i z0,1 )0,1412 (2.40) siendo aqúı z la altura en m sobre el nivel de referencia, y z0,i un parámetro que depende del tipo de rugosidad del terreno y está dado en la siguiente tabla: Rugosidad Altura de los z0,i obstáculos (m) I Zonas planas, sin obstáculos < 1, 5 0,005 II Zonas llanas con árboles o cercas 1, 5 a 10 0,050 III Zona ondulada,urbana.Barrios < 10 0,200 IV Centro grandes ciudades > 25 0,500 En el CIRSOC 102 (Tabla 4) se dan los valores de cz que corresponden a la fórmula (2.40) y se ejemplifican además con fotograf́ıas los casos correspondientes a cada tipo de rugosidad. Se indica también cómo considerar los casos de transición de rugosidades. • cd: es un coeficiente de reducción por dimensiones. Si alguna de las dimensiones de la cosntrucción excede los 20m se puede reducir la presión de cálculo por un coeficiente cd (0, 65 < cd < 1) cuyos valores se dan en la Tabla 5 del Reglamento CIRSOC 102. 4) Carga sobre la construcción: La carga por unidad de superficie (wz) sobre una de las caras de una pared, a la altura z se calcula como: wz = cqz (2.41) donde: • qz: es la presión dinámica de cálculo • c: es un coeficiente de presión. 2.4. DETERMINACIÓN DE CARGAS REGLAMENTARIAS 37 La carga unitaria sobre una pared se obtiene con la expresión: wr,z = (ce − ci)qz (2.42) donde ce es el coeficiente de presión de la cara externa, y ci el coeficiente de presión de la cara interna de la pared. La fórmula da entonces la carga resultante teniendo en cuenta las presiones sobre las dos caras de la pared. Las acciones de conjunto se calculan como: E = cEqmA (2.43) L = cLqmAs (2.44) donde qm es un valor uniforme medio de la presión qz, A es el área de la superficie maestra, As es el área en proyección horizontal, cE es el coeficiente de empuje y cL el coeficiente de levantamiento. Los valores de los coeficientes c, ce, ci, cE y cL dependen de: • forma y proporciones de la construcción • rugosidad y permeabilidad de las paredes • orientación en relación a la dirección del viento • ubicación con respecto al piso o a otras construcciones y están dados en los caṕıtulos 6 a 10 del Reglamento CIRSOC 102: • Cap.6: Construcciones prismáticas de base rectangular • Cap.7: Construcciones prismáticas de base poligonal y ciĺındrica • Cap.8: Paneles llenos y cubiertas aisladas • Cap.9: Construcciones con aberturas y reticulados • Cap.10: Construcciones varias. 5) Acciones locales En zonas particulares tales como bordes de techo, aristas, cumbreras, etc., las presiones pueden ser mayores que las presiones medias y deben verificarse con acciones locales calculadas con un coeficiente c′e que debe adicionarse al coeficiente ce de presión exterior media. 38 CAPÍTULO 2. EFECTOS DEL VIENTO SOBRE LAS CONSTRUCCIONES
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