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Índice Introducción …………………………………………………………………………………..3 Conceptos generales ………………………………………………………………………….. 4 Notación general ………………………………………………………………………………. 5 Importancia de la consideración de la carga de viento ……………………………………….. 5 Como actúan las cargas de viento en la estructura …………………………………………… 6 Factores que pueden condicionar el diseño de estructuras sometidas a cargas de viento ……7 Forma ………………………………………………………………………………………………………….. 7 Zona …………………………………………………………………………………………………………… 8 Esbeltez ……………………………………………………………………………………………………….. 9 Velocidad del viento …………………………………………………………………………………………… 10 Resonancia……………………………………………………………………………………………………. 10
Urbanismo …………………………………………………………………………………………………….. 11
Vulnerabilidad de las estructuras frente al viento ……………………………………….....12 Normas para la construcción de los diferentes tipos de estructuras …………………………12 Conclusión ………………………………………………………………………………….. 13 Bibliografía e internet- grafía……………………………………………………………….14
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Introducción Debido a la importancia de los efectos del viento en el diseño estructural, urge la necesidad de desarrollar los conceptos necesarios para entender el comportamiento de los diferentes materiales usados en la confección de las estructuras. Cabe destacar que en edificaciones de grandes dimensiones la acción del viento puede ser un factor determinante a la hora de diseñar, de aquí la importancia de estas cargas en la estructuras. La forma superficial en la que es tratado este tema conduce a un conocimiento limitado del mismo, con la finalidad de dar aportes en este sentido y aumentar el conocimiento propio damos lugar a esta investigación, la cual estará enfocada en que factores son los de mayor importancia al momento de tomar en cuenta las cargas de viento en una edificación, y que medidas son capaces de contrarrestar a estos factores.
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Conceptos generales Viento: Es una Carga dinámica (que varía en el tiempo) con una determinada dirección e intensidad, o sea una masa de aire en movimiento que al chocar contra el obstáculo (edificio) tiende a volcarlo o correrlo. Se origina por dos efectos: la rotación terrestre, calentamiento del sol. Estructura de Acero: Elementos o conjunto de elementos de acero que forman la parte resistente y sustentante de una construcción. Estructura de Hormigón Armado: Consiste en la utilización de hormigón reforzado con barras o mallas de acero llamadas armadura. También es posible armarlo con fibras, tales como fibras plásticas, fibras de vidrio, fibras de acero o combinaciones de barras de acero con fibras dependiendo de los requerimientos a los que estará sometido. Estructura de Madera: Elementos o conjunto de elementos de madera que forman la parte resistente y sustentante de una construcción. Código: Conjunto de leyes o normas de una materia, que buscan dar una orientación acerca de un tema determinado. Huracán: Es un movimiento de masa de aire a gran velocidad, de fuerza extraordinaria originada por vientos que circulan alrededor de un área de baja presión. Ciclón: Viento muy fuerte que gira en círculos. Zona atmosférica de baja presión. Eje principal: Es la recta que pasa por el centro de la estructura. Perpendicularidad: La noción de perpendicularidad se generaliza a la de ortogonalidad. Punto de obstrucción: Es el centro de la fachada por simetría, donde la presión dinámica producida por el viento es máxima. Presión unitaria: Es la intensidad de la presión en cualquier punto de un fluido, la presión unitaria es la misma en todos los puntos.
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Notación general Área en metros cuadrados de la superficie expuesta a la acción del viento en el nivel considerado. A
C
El cual es función de la forma de la estructura.
H
Altura de la edificación en metros, medida desde el nivel del suelo.
Coeficiente que modifica la velocidad del viento, el cual viene expresado en función de la altura de la edificación. K
P
Fuerza resultante en kilogramos debida a la acción del viento.
U
Coeficiente de uso o importancia de la edificación.
V
Velocidad del viento en km/h.
Z
Coeficiente de zona.
D
Diámetro de la edificación expresado en metros.
P
Presión unitaria en kilogramo por metro cuadrado debido a la acción del viento.
Importancia de la consideración de la carga de viento En el momento en que se empieza a considerar cargas para un diseño estructural, dentro de la lista de solicitaciones se encontrarán las cargas vivas producidas por viento. Esta a su vez es capaz de cambiar totalmente la configuración estructural dependiendo de la magnitud de la carga a la que se encontrará sometida. De aquí la importancia de conocer cómo afectan las cargas de viento a la estructuras. En el caso de chimeneas que se elevan muy por encima del terreno, donde el viento es la única acción externa. Como se verá más adelante, la forma más conveniente para este tipo de estructuras (por tener coeficiente de forma más bajo) son las cilíndricas o las que se aproximan a ellas, con lo cual se logra que la carga por viento sea un tercio menor que la producida sobre una forma prismática.
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Otro ejemplo donde se pone de manifiesto la importancia de esta acción es en estructuras muy livianas, tal es el caso de puentes colgantes que, debido a su poca masa corren el riesgo de entrar en resonancia y llegar a la destrucción por tal efecto, aun para velocidades del viento relativamente bajas (Tacoma Narrows en 1940, el puente se hizo famoso por su dramático colapso estructural inducido por el viento). A los efectos de evitar tales inconvenientes se aumenta la masa de los mismos logrando así cambiar el periodo de oscilación. Se puede mencionar también, dentro de las construcciones livianas el caso de naves industriales, parabólicas, etc. Donde el viento puede llegar a originar solicitaciones que puedan llegar a ser muy superiores a las de peso propio y condicionar el diseño. Con estos pocos ejemplos es suficiente para comprender la importancia de esta acción.
Como actúan las cargas de viento en la estructuras Las cargas de vientos actúan en cualquier punto de la estructura, generalmente tiene una dirección común para la zona, pero sus patrones pueden variar por causa del delta de temperatura y/o presión. Para fines de diseño se considera que la carga de viento actuará en dos direcciones ortogonales entre sí y perpendicular al eje vertical en caso que la estructura tenga forma prismática. El viento no es una carga puntual ni actúa en la estructura de forma permanente sino que se presenta con carácter recurrente tanto en tiempo de acción como en intensidad. En el diseño, el caso de estructura con peso significativo se considera como estática y su distribución será condicionada a la rugosidad del terreno. La fórmula que estipula el boletín informativo n°9/80 de MOPC para el cálculo de la intensidad de las presiones es: p=160ZURC
Fuerza resultante de la acción del viento: P=pA
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Factores que pueden condicionar el diseño de estructuras sometidas a cargas de viento La intensidad de la carga de viento presente en las estructuras existentes y futuras dependerá de la forma, zona, altura, Esbeltez, velocidad del viento, resonancia, topografía, urbanismo, etc.
Al diseñar una torre de gran altura en lo primero que se piensa es en un diseño rectilíneo, lo más importante de las torres es su respuesta al viento sobre todo a vientos rápidos a gran altura. Una forma rectangular o cuadrada presenta muchas dificultades en lo que respecta al flujo de viento a su alrededor, crea muchas turbulencias.
El problema del diseño rectangular es que ofrece demasiada resistencia a los vientos fuertes. Entonces, ¿Cuál es la mejor solución?. Si se construyese una torre convencional de planta totalmente cuadrada de gran altura, sería de esperar que hubiese una gran respuesta sobre todo en la dirección perpendicular al viento. Un edificio rectangular produce vórtices de viento a lo largo de toda la estructura, esos vórtices son remolinos de vientos que se forman en todo los lados del edificio y que ejercen una fuerza violenta sobre él.
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Si se piensa en un cilindro, una estructura uniformemente redonda de arriba abajo. El viento fluye más fácilmente por un cilindro, pero su diámetro constante todavía crea problemas. Si la forma es constante de arriba abajo ese vórtice se acumula en el mismo sitio y ejerce una gran fuerza sobre el edificio que este debe resistir.
Una forma cónica elimina este problema al variar el diámetro a lo largo de toda la estructura. De modo que el esquema de orientación del vórtice no es un esquema regular a lo largo de toda la estructura de la torre sino que se va alternando según el diámetro cambiante del edificio. Las oscilaciones serán una decima parte o más de diez veces menor que las de formas prismáticas.
Dicho lo anterior se concluye que la presión real que actúa sobre una edificación depende de la forma que esta tenga. De esto nace la importancia de un coeficiente de forma representado por “C”.
La incidencia del viento varía dependiendo de la temperatura, presión, topografía etc. Debido a esto el viento muestra patrones diferentes según la zona en la que se encuentre la edificación. La República Dominicana se encuentra zonificada de la siguiente manera.
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1 Zona de alta velocidad (180 km/h
Coeficiente de zona: z
Zona
Z
1 2 3
Es uno de los factores más ponderado en este tema y es conocido como lambda ( λ ), no es más que la relación por cociente de la altura del edificio entre su ancho. Cuando las edificaciones se empiezan a elevar sobre el suelo, la acción del viento adquiere importancia y para esbelteces mayores que 3 no se puede dejar de tener en cuenta. El análisis se hace en una dirección si sólo una esbeltez es mayor que 3, y en ambas si ambas son mayores que 3.
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Es una magnitud aleatoria. La función temporal de la velocidad, cuyos valores son aleatorios, se denomina proceso estocástico. Su dirección puede considerarse horizontal para fines de cálculo de sus efectos sobre las edificaciones. Y en cualquier dirección. La velocidad del viento varía con la altura con respecto al nivel del suelo y tanto la forma de variación como la altura de la capa límite de velocidad dependen de la rugosidad del terreno.
El momento en que la estructura se ve más afectada por velocidad de viento es en presencia de ciclones o huracanes, el cual es el caso de tormentas tropicales donde sus velocidades superan los 118km/h.
Los edificios tienen que oscilar para absolver las fuerzas de los vientos de gran altitud, pero la oscilación depende del diseño, es decir la forma. En caso que la estructura no sea capaz de absorber la energía generada por la forzante (viento), esta entrará en un estado conocido como resonancia donde la amplitud de las oscilaciones irá en aumento a medida que el tiempo transcurre produciendo el colapso de la estructura. Un caso de estas oscilaciones se dio en el puente de Tacoma, en los estados unidos que colapsó, en noviembre de 1940, para un viento de 68 km/h cuando había 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.
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Ciertas formas de sección transversal tales como secciones cuadradas, rectangulares, triangulares o semicirculares, son susceptibles de oscilaciones por inestabilidad aerodinámica. No pueden iniciarse estas oscilaciones desde el reposo sino que precisan ser iniciada por otro efecto (ráfagas de vientos o vórtices alternados). Al vibrar perpendicularmente a la dirección del viento aparecen fuerzas de presión perpendiculares al viento que pueden amplificar la vibración. Son propensa a este fenómeno estructuras livianas y flexibles, con formas simples.
Los coeficientes de presión sobre un edificio varían con la presencia de otro edificio vecino. A veces los coeficientes aumentan y otras veces disminuyen. El efecto de edificios próximos también influye en un aspecto que no atañe a la estructura sino al uso de la construcción. El “encajonamiento” del viento entre dos obstáculos aumenta la velocidad del viento y afecta el
confort de los transeúntes.
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Vulnerabilidad de las estructuras frente al viento Cuando tratamos de establecer la vulnerabilidad frente al viento de una estructura hecha de un material en específico, ya sea hormigón armado, acero o madera, nos encontramos con que la dependencia de esta vulnerabilidad se encuentra influenciada por muchos factores, dentro del cual el material del que está hecha la estructura es de mucha importancia y mucho más importante aún es en la forma que se encuentra dispuesta. Es decir, su configuración estructural. Dentro de las vulnerabilidades que encontramos en las estructuras de acero y madera es la susceptibilidad de entrar en resonancia con el viento debido a su bajo peso. Aunque las propiedades elásticas en el caso del acero y la madera le ayuda a oscilar con amplitudes consideradas sin colapsar. Es decir, absorber la energía producida por el viento. En las estructura de hormigón las deformaciones por oscilación no pueden ser de la misma magnitud que las de acero o madera, debido a que esta combinación de material es más rígido.
Normas para la construcción de los diferentes tipos de estructuras R-033 Reglamento de hormigón R-028 Reglamento de acero R-029 Reglamento de madera Boletín 9-80 viento Reglamento CIRSOC 102 (Acción del viento sobre las construcciones)
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Conclusión Analizado lo referente al tema de las cargas de viento en los diferentes tipos de estructuras, se ha llegado a la conclusión que el material del cual está hecha es un factor determinante en cuanto a su comportamiento, pero aún más lo es su configuración estructural, ya que los efectos frente a estas cargas se encuentra aun más relacionado con la forma más que del material. La geometría de la estructura es la que determina los efectos a los que se verá sometida y en función de esto es que se toman las medidas necesarias para contrarrestarlos. Las estructuras que presenten menor resistencia al viento serán las más apropiadas. Las formas cilíndricas reducen la respuesta al viento en un tercio de la que ofrecería un prismática y aun más la que tienen forma cónica la cuales reducen la resistencia al viento en una decima parte de la que ofrecería una prismática.
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Bibliografía e internet- grafía
Boletín 09/80 Ensayos del laboratorio avanzado en aerodinámica de la facultad de ciencia y tecnología, Universidad de Hong Kong. Reglamento CIRSOC 102 (ACCION DEL VIENTO SOBRE LAS CONTRUCCIONES) http://es.m.wikipedia.org/wiki/Hormig%C3%B3n_armado http://www.iiarquitectos.com/2010/01/estructura-de-acero.html http://m.escalofrio.com/plantilla.php?idf=203 http://www.wordreference.com/definicion/c%C3%B3digo
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