determinacion de cargas de viento

8/16/2019 Determinacion de Cargas de Viento

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FIC_UNP Estructuras de acero

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.


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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 unaestructura.

MARCO TEORICO

1._ORIGEN DE LOS VIENTOS

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 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.


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III. JUSTIFICACION: En el caso de las estructuras de acero, por su peso propio relativamente bajo ygrandes

superficies expuestas a la acción del viento, las cargas del vientopueden ser más importantes

que las cargas debidas al sismo, por lo que nopueden 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 laconstrucción;

generalmente su dirección no coincide con la del viento.

Acción Local Acción del viento sobre ciertas zonas de las construcciones, tales como las aristasverticales,

los aleros de las cubiertas, los ángulos entrantes o salientes de estas, etc.Se distingue

mediante coeficientes apropiados, la acción del viento particularmenteacentuada en dichaszonas.

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 enuna

construcción.

Acción Unitaria Exterior Acción unitaria del viento sobre la cara exterior de la pared (o techo) de unaconstrucción.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 elementodepared (o techo) de una construcción o de las ejercidas sobre las caras a barloventoysotavento en el caso de elementos aislados.

Deriva Componente horizontal de la acción de conjunto en sentido normal a la dirección delviento, que tiende adesplazar lateralmente la construcción y, eventualmente, avolcarla.

Empuje

Componente horizontal de la acción de conjunto en la dirección del viento, que tiendea desplazar a laconstrucción y, eventualmente, a volcarla.

Levantamiento

Componente vertical de la acción de conjunto, que tiende a levantar la construcción

y,eventualmente, a volcarla


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2._CARGAS DE V

IENTO EN L S ESTRUCTUT S

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 lasestructuras de acero

, porsu 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:

= . .

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 * * y

= 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 estásoplando 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


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presión negativa o succión en los muros extremos yen cierta porción de los

techos. Una gran zona de baja presión de flujop = 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 inclinacionesmenores, 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.


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Velocidad del viento:

Para el análisis estadístico de las velocidades máximas del viento, los datosbdeben serconfiables y oficiales; en el Perú el SENAMHI es la identidad bencargada 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 lazona en particular dondese construirá.


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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:

= . . (

2)

Cp = coeficiente de presión y

Cr = es un coeficiente de ráfaga (ambos son números abstractos)

q = 0.005 v2 ( kg / m2 )


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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 lasparedes 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)


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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, serecomienda usar un Coeficiente de Ráfaga Cr = 1.7 en la ecuación

Mapa eólico del Perú


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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 alrededor de la edificación 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


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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


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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, usualmentetransversales 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


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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: 60

m x 75m.Altura de columnas 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


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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 seconsidera 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 = 1.0, V = 55 kph = 151.2 K z(N/m2)

La 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.

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


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.


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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 m2o menos.


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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.


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CALCULO DE CARGA PUNTUAL POR CARGA EXTERIOR DE VIENTO:

CARGA EXTERIOR DE VIENTO

La carga exterior (presión o succión) ejercida por elviento se supondrá e

stática y perpendicular a la superficie sobre la cual actúa. Se calculará

mediante la expresión:

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 4

Vh: velocidad de diseño a la altura h, en Km/h, definida en el Artículo12 (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.


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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 Máximaadecuada 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.

)10/( 22.0

hV h

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


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(9/10))10/( 22.022.0

Km/h40 hV V h =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 SOTAVENTO

Superficies inclinadas

a 15° y 60°

+0,3

-0,7

-0,6

* El signo positivo indica presión y el negativo succión.


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Superficies inclinadas de 15° a 60°

Barlovento:

mV P Kgf C hh22

h

2/29.2)3.0(005.0005.0 )08.39(P

m P V P Kgf C hhh22

h

2/35.5)7.0(005.0005.0 )08.39(P

P h = -5.35 m Kgf 2

/

Sotavento:

m P V P Kgf C hhh

22

h

2/58.4)6.0(005.0005.0 )08.39(P

CALCULO DEL ANCHO TRIBUTARIO:

At=6m


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CALCULO DE LA CARGA DISTRIBUIDA SOBRE LA BRIBA SUPERIOR:

CARGA VIENTO

CARGAS EN LOS NUDOS PARA EVALUAR LA ARMADURA

Para barlovento:

Nudos interiores:

=∗∗

=

.

∗ ∗ .

= .

Nudos exteriores:

=∗ ∗

∗ =

.

∗ ∗ .

∗ = .

15.95°

L= 3 .

sen(15.95°)= 10.92m


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Para sotavento:

Nudos interiores:

= ∗∗

= .

∗ ∗ .

= .

Nudos exteriores:

=∗∗

∗ =

.

∗ ∗ .

∗ = .


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Calculo de las componentes de las cargas puntuales debido a la carga exterior

de viento

determinacion de cargas de viento

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