CARGAS DE VIENTO NORMA E020
INTRODUCCION
La tarea más importante que debe desempeñar un diseñador de estructuras es la determinación precisa de las cargas que actuaran en la edificación durante la vida útil de esta .No debe omitirse la consideración de cualquier carga que pueda llegar a presentarse. Dentro de las cargas que actúan en una edificación tenemos las cargas muertas y vivas, las cargas muertas son que aquellas que permanecen constantes a lo largo del periodo útil de la edificación, las cargas vivas cambian de lugar, de magnitud, se mueven bajo su propio impulso, entre ellas tenemos las causadas por el viento ,sismo ,lluvia ,suelos el etc. En este caso se va tratar exclusivamente de las cargas de viento, para poder determinar el efecto que tienen estas en las edificaciones se debe llevar a cabo el proceso de metrado de estas para poder construir de la manera más eficiente. Las cargas de viento varían con la localidad geográfica, las alturas sobre el nivel del terreno, los tipos del terreno y algunos otros factores.
II. OBJETIVOS: Determinar los procedimientos y los medios para obtener los valores de las acciones producidas por el viento sobre las construcciones o sus diferentes partes.
Mostrar mediante ejemplos la aplicación de las cargas de viento en una estructura.
MARCO TEORICO 1._ORIGEN DE LOS VIENTOS Los movimientos del aire en la atmósfera se producen principalmente porl a 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 de formas de energía: la potencial se convierte en cinética 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.
III. JUSTIFICACION: En el caso de las estructuras de acero, por su peso propio relativamente bajo y grandes superficies expuestas a la acción del viento, las cargas del viento pueden ser más importantes que las cargas debidas al sismo, por lo que no pueden ser despreciadas en el diseño. MARCO TEORICO: DEFINICIONES Acción De Conjunto Sobre Una Construcción Resultante geométrica de todas las acciones sobre las diferentes paredes de la construcción; generalmente su dirección no coincide con la del viento. Acción Local Acción del viento sobre ciertas zonas de las construcciones, tales como las aristas verticales, los aleros de las cubiertas, los ángulos entrantes o salientes de estas, etc. Se distingue mediante coeficientes apropiados, la acción del viento particularmente acentuada en dichas zonas. Acción Resultante Total Fuerza total ejercida sobre una superficie determinada. Acción Unitaria Valor de la presión o succión que el viento ejerce sobre un elemento de superficie en una construcción. Acción Unitaria Exterior Acción unitaria del viento sobre la cara exterior de la pared (o techo) de una construcción. Cualquiera sea la construcción, la cara exterior de sus paredes está sometida a: a) Succiones, si las paredes están "a sotavento"; b) Presiones, o succiones, si ellas están "a barlovento"
Acción Unitaria Resultante Suma de las acciones unitarias exterior e interior ejercidas sobre un mismo elemento de pared (o techo) de una construcción o de las ejercidas sobre las caras a barlovento y sotavento en el caso de elementos aislados. Deriva Componente horizontal de la acción de conjunto en sentido normal a la dirección del viento, que tiende a desplazar lateralmente la construcción y, eventualmente, a volcarla. Empuje Componente horizontal de la acción de conjunto en la dirección del viento, que tiende a desplazar a la construcción y, eventualmente, a volcarla. Levantamiento Componente vertical de la acción de conjunto, que tiende a levantar la construcción y, eventualmente, a volcarla
2._CARGAS DE VIENTO EN LAS ESTRUCTUTAS Todas las estructuras están sujetas a la acción del viento y en especial las demás de 2 o 3 pisos de altura o en aquellas en las zonas donde la velocidad del viento es significativa o en las que debido a su forma, son más vulnerable a los efectos aerodinámicos. En el caso de las estructuras de acero, por su peso propio relativamente bajo y grandes superficies expuestas a la acción del viento, las cargas del viento pueden ser más importantes que las cargas debidas al sismo. Acción del viento Aunque el viento tiene naturaleza dinámica, es satisfactorio tratar al viento como una carga estática. Se entiende mejor los factores que actúan sobre la presión estática mediante la ecuación siguiente: 𝑝 = 𝑐𝑝 . 𝑐𝑟 . 𝑞
Cp= Coeficiente que depende de la forma de la estructura Cr= Coeficiente que depende de la magnitud de la velocidades de las ráfagas del viento y de la flexibilidad vertical. q = Intensidad de la acción dinámica del viento, donde q = 0.5 *𝜌 *𝑣 2 y 𝜌 = densidad del aire; v = velocidad del viento de diseño a la altura H sobre el suelo en la cual p se calcula, o una altura característica de la estructura. Flujo típico del viento alrededor de edificios Una situación de flujo típico se ilustra en la Figura 1.4 donde el viento está soplando sobre una cara del edificio con techo a dos aguas. Los flujos son lentos o desacelerados a medida que se acercan al edificio, produciéndose una presión positiva en la cara de barlovento. Creada la obstrucción, por causa del edificio, este flujo se vuelca alrededor de las esquinas y del techo. El flujo separado (llega a ser separado de la superficie del edificio) en estos puntos y la baja presión, por debajo de la presión atmosférica, origina una presión negativa o succión en los muros extremos yen cierta porción de los techos. Una gran zona de baja presión de flujo p = Cp . Cr . q retardado es creada a sotavento del edificio, la cual produce una succión en el muro de sotavento y a sotavento del techo.
Acción del viento sobre un techo a dos aguas Las presiones en esta zona no son estables ni uniformes, sin embargo se ha establecido que los flujos no se alteran apreciablemente con un cambio en la velocidad del viento. Las presiones actuantes en un techo dependen completamente de su inclinación; son generalmente positivas en la zona de barlovento para inclinaciones mayores de = 30 grados pero para inclinaciones menores, la cara a barlovento del techo puede estar sujeta a succiones severas y que alcanzan un máximo a una inclinación de 10 grados aproximadamente. Bajo condiciones de vientos extremos estas succiones pueden vencer el peso propio requiriéndose para este caso, un adecuado sistema de anclaje.
Velocidad del viento:
Para el análisis estadístico de las velocidades máximas del viento, los datos deben ser confiables y oficiales; en el Perú el SENAMHI es la identidad encargada de procesar y recoger esta información y estimar su probabilidad b de ocurrencia plasmando esta información en mapas eólicos regionales. El diseñador debe de considerar el mapa eólico de la zona en particular donde se construirá.
Cargas de diseño por Viento: La ocurrencia de presiones o succiones p debidas al viento en superficies verticales horizontales o inclinadas de una edificación serán consideradas simultáneamente y se supondrán perpendiculares a la superficie sobre la cual actúan. La carga de viento depende de la forma. Dicha sobrecarga p sobre la unidad de superficie es un múltiplo de la presión dinámica q y se expresa así: 𝑘𝑔 𝑝 = 𝑐𝑝 . 𝑐𝑟 . 𝑞( ) 𝑚2 Cp = coeficiente de presión y Cr = es un coeficiente de ráfaga (ambos son números abstractos) q = 0.005 v2 ( kg / m2 )
En donde v está en kilómetros por hora. La velocidad básica del viento se obtendrá de los Mapas Eólicos. En ningún caso se tomarán presiones dinámicas menores de q = 15 kg/m2 ".Las presiones pueden ser positivas (presión) o negativas (succión), determinadas por un coeficiente Cp, positivo o negativo y serán consideradas como diferenciales con relación a la presión atmosférica normal. Las presiones pueden ser positivas (presión) o negativas (succión), determinadas por un coeficiente Cp, positivo o negativo y serán consideradas como diferenciales con relación a la presión atmosférica normal. "Presiones interiores: Cuando el porcentaje de abertura "n" de alguna de las paredes de la construcción sea mayor de 30% de la parte de área expuesta que corresponde a dicha planta, en adición a las presiones o succiones exteriores se deberán considerar presiones o succiones calculadas según la ecuación con valores Cpi siguientes:" Si la abertura se encuentra al lado de barlovento Cpi = 0.8 Si la abertura se encuentra al lado de sotavento Cpi = -0.5 Para valores de "n" menores de 30%, se considerarán para el cálculo de las presiones internas los valores de Cpi más desfavorables entre los especificados a continuación: Si la abertura se encuentra al lado de barlovento Cpi = 0.8n/30 ± (1-n/30) Si la abertura se encuentra al lado de sotavento Cpi = -0.5n/30 ± (1-n/30) Si la construcción no tiene aberturas, se tomará Cpi = ± 0.3 "Coeficientes de Ráfaga: Para estructuras cuya esbeltez o dimensiones horizontales reducidas las hacen sensibles a las ráfagas de corta duración y cuyos períodos largos favorecen a la ocurrencia de oscilaciones importantes como por ejemplo, edificios de relación de aspecto de 5 a 1 y con período fundamental de más de 2 segundos o con altura de más de 60 m, se recomienda usar un Coeficiente de Ráfaga Cr = 1.7 en la ecuación
Mapa eólico del Perú
Factores adicionales a tener en cuenta
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 relaciones entre sus dimensiones
Obstrucción
Obstrucción + superficie inclinada
Obstrucción + superficie de mayor Inclinación
2. Efectos de viento sobre estructuras.
Para los fines de diseño, los efectos que el viento causa sobre estructuras pueden suponerse constituidos por componentes estáticas y dinámicas, tales como las que se resumen en los incisos 2.1 y 2.2.
2.1 Efectos estáticos. Se entiende por efectos estáticos los siguientes: a) Presiones medias ejercidas por el viento considerado con velocidad constante durante intervalos de varios minutos. b) Variaciones de presión debidas a variaciones en la velocidad de masas de aire de dimensiones suficientemente grandes para producir incrementos significativos en las fuerzas que rigen el diseño general de la estructura, o el local de algunas de sus componentes. En este inciso se incluyen solo las variaciones de velocidad que no producen vibraciones apreciables de la estructura.
2.2 Efectos dinámicos. Se entiende por efectos dinámicos los siguientes: a) Vibraciones causadas por la turbulencia de la corriente de aire, es decir, por las variaciones de velocidad en las direcciones longitudinal y transversal con respecto al flujo. b) Efectos de vórtices periódicos que se generan cuando la corriente de aire se ve interferida por un obstáculo cilíndrico o prismático. Los vórtices o remolinos que se generan poseen ejes paralelos al de la estructura que los ocasiona, y ejercen sobre ellas fuerzas con dirección normal al flujo y al eje de la estructura. Estas fuerzas son capaces de ocasionar vibraciones estructurales excesivas. Inestabilidad aerolástica. Se incluyen aquí todos los problemas de vibraciones autoexcitadas, o de estructuras que por sus características aerodinámicas pueden verse sometidas a vibraciones, usualmente transversales o de torsión, que se excitan aún con flujo de viento de velocidad constante, y en las que la excitación aumenta al vibrar la estructura, en virtud de la interacción aerodinámica entre ésta y el viento EJEMPLO DE APLICACIÓN
Se desea conocer las acciones del viento sobre una construcción tipo industrialcomercial. La edificación tiene una estructura de acero formada por Pórticos a dos aguas, correas, largueros y cubierta de planchas onduladas. Ubicación: Lima, zona de Lurín, cerca a la Carretera Panamericana.Dimensiones: 60m x 75m.Altura de colu mnas del Pórtico: 6mInclinación del techo: 1 en 12; θ= 4.8 La determinación de la acción del viento para efectos del análisis y diseño de la estructura se hará siguiendo un procedimiento recomendado de 5 Pasos La altura media del techo es: 6 + 1/12(30/2) = 7.25
La determinación de la acción del viento para efectos del análisis y diseño de la estructura se hará siguiendo un procedimiento recomendado de 5 Pasos.
PASO 1: Clasificación de la Edificación y su Exposición La zona de Lurín se puede considerar, en la actualidad, como terreno plano, tipo chacra, la categoría de Exposición es C. La Categoría del edificio es industrial_ comercial, no se considera una facilidad esencial en el caso de un desastre. Todo ello conduce a seleccionarla como Categoría I(Factor de Importancia: 1.0). PASO 2: Velocidad Básica del Viento El Mapa Eólico indica que para la zona de Lima se espera una Velocidad Máxima del Viento de45kph. Siguiendo la recomendación, se considerará una velocidad mínima del viento de 55kph. PASO 3: Presiones por Velocidad qz= 0.05K z( (𝐼. 𝑉)2 ) , I = 1.0, V = 55 kph = 151.2 K z(N/m2) altura media del techo es: 6 + 1/12(30/2) = 7.25 Las Normas permiten que, si la inclinación del techo es menor de θ= 10, se pueda usar la altura del alero como h. Se usará esta opción.
La
PASO 4: Presiones de diseño para el Sistema Primario de Resistencia al Viento Los Sistemas Primarios de Resistencia al Viento están dados, en este caso, por los Pórticos a dos Aguas de la dirección de 60m., y los arriostramientos en X en la otra dirección. SOBRE LOS PÓRTICOS A DOS AGUAS
.
SOBRE LOS ARRIOSTRAMIENTOS EN X Las presiones del viento paralelo a la cumbre son resistidas por los arriostramientos en X. Por otro lado las presiones interiores se cancelan. Estas presiones están asociadas para el viento de izquierda a derecha; deben considerarse también, las presiones de derecha a izquierda. PASO 5 Presiones de Viento para los Componentes y los Cerramientos
En la Figura 10 se da un esquema de las presiones del viento sobre los componentes y cerramientos de acuerdo a su ubicación sobre la estructura. Las presiones mostradas son para valores de envolvente para áreas tributarias de 1 m2 o menos.
EJEMPLO 2
CALCULO DE CARGA DEBIDO AL VIENTO Para saber como calcular la fuerza debida al viento en estructuras metalicas(armaduras) e considerado conveniente un patio en una I.E.P a dos aguas en la ciudad de piura. DATOS: Su geometria y dimensiones son las indicadas en la figura.
CALCULO DE CARGA PUNTUAL POR CARGA EXTERIOR DE VIENTO:
CARGA EXTERIOR DE VIENTO La carga exterior (presión o succión) ejercida por elviento se supondrá estática y perpendicul ar a la superficie sobre la cual actúa. Se calculará mediante la expresión:
Ph = 0,005 C Vh2
Dónde: Ph: presión o succión del viento a una altura h en Kgf/m2 C: factor de forma adimensional indicado en la Tabla 4 Vh: velocidad de diseño a la altura h, en Km/h, definida en el Artículo 12 (12.3)
TABLA 4 FACTORES DE FORMA (C) * Ubicación: Piura Uso
: para ser usado como cubierta de patio de colegio.
Altura
: brida inferior se encuentra a 6m del nivel de falso piso.
CARGA DE VIENTO De la norma E.020 de Cargas en el acápite 3.7.3
Antes de calcular la velocidad de diseño habrá que ver la velocidad de la zona en el lugar en el mapa eólico del Perú, la cual para ciudad de Piura es 40 km/h a una altura máximo de 10m del suelo
VELOCIDAD DE DISEÑO La velocidad de diseño del viento hasta 10 m de altura será la velocidad Máxima adecuada a la zona de ubicación de la edificación pero No menos de 75 Km/h. La velocidad de diseño del viento en cada altura de la Edificación se obtendrá de la siguiente expresión.
0.22
V h (h / 10) Dónde:
Vh: velocidad de diseño en la altura h en Km/h V
: velocidad de diseño hasta 10 m de altura en Km/h
h
: altura sobre el terreno en metros
V
0.22
h
V (h / 10)
0.22
40 Km/h (9/10)
=39.08 Km/h
3.7.4.-CARGA EXTERIOR DE VIENTO
Ph = 0.005 C (Vh)2 Dónde:
Ph : presión o succión del viento a una altura h en Kgf/m2 C
: factor de forma adimensional indicado en la Tabla 3.7.4
Vh : velocidad de diseño a la altura h, en Km/h.
De la norma E.020 TABLA 3.7.4 FACTORES DE FORMA (C) *
CONSTRUCCION BARLOVENTO Superficies inclinadas a +0,3 15° y 60° -0,7 * El signo positivo indica presión y el negativo succión.
SOTAVENTO -0,6
Superficies inclinadas de 15° a 60° Barlovento: 2
0.005C V h Ph 0.005(0.3) (39.08) 2.29Kgf / m h 2
2
P
Ph 0.005C V h Ph 0.005(0.7) (39.08) Ph 5.35Kgf / m
2
2
P
2
h
= -5.35 Kgf / m
2
Sotavento:
2
Ph 0.005CV h Ph 0.005(0.6) (39.08) Ph 4.58Kgf / m 2
CALCULO DEL ANCHO TRIBUTARIO: At=6m
2
CALCULO DE LA CARGA DISTRIBUIDA SOBRE LA BRIBA SUPERIOR:
CARGA VIENTO CARGAS EN LOS NUDOS PARA EVALUAR LA ARMADURA Para barlovento:
Nudos interiores: 𝑷𝒉 ∗ 𝑨𝒕 ∗ 𝑳 𝑷𝒉𝒊 = 𝟑
𝑷𝒉𝒊 =
𝟓. 𝟑𝟓
𝒌𝒈𝒇 𝒎𝟐
∗ 𝟔𝒎 ∗ 𝟏𝟎. 𝟗𝟐𝒎 𝟑
= 𝟏𝟏𝟔. 𝟖𝟒𝒌𝒈
Nudos exteriores: 𝑷𝒉 ∗ 𝑨𝒕 ∗ 𝑳 𝑷𝒉𝒆 = 𝟑∗𝟐
𝑷𝒉𝒆 =
𝟓. 𝟑𝟓
𝒌𝒈𝒇 𝒎𝟐
∗ 𝟔𝒎 ∗ 𝟏𝟎. 𝟗𝟐𝒎 𝟑∗𝟐
= 𝟓𝟖. 𝟒𝟐𝒌𝒈
Para sotavento:
Nudos interiores: 𝑷𝒉 ∗ 𝑨𝒕 ∗ 𝑳 𝑷𝒉𝒊 = 𝟑
𝑷𝒉𝒊 =
𝟒. 𝟓𝟖
𝒌𝒈𝒇 𝒎𝟐
∗ 𝟔𝒎 ∗ 𝟏𝟎. 𝟗𝟐𝒎 𝟑
= 𝟏𝟎𝟎. 𝟎𝟑𝒌𝒈
Nudos exteriores: 𝑷𝒉 ∗ 𝑨𝒕 ∗ 𝑳 𝑷𝒉𝒆 = 𝟑∗𝟐
𝑷𝒉𝒆 =
𝟒. 𝟓𝟖
𝒌𝒈𝒇 𝒎𝟐
∗ 𝟔𝒎 ∗ 𝟏𝟎. 𝟗𝟐𝒎 𝟑∗𝟐
= 𝟓𝟎. 𝟎𝟏𝟓𝒌𝒈
Calculo de las componentes de las cargas puntuales debido a la carga exterior de viento
