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EFECTOS DEL VIENTO EN SISTEMAS ESTRUCTURALES DE ACEROINTRODUCCIONEn la actualidad se tiene grandes problemas al momento de realizar una construccin, empezando desde la cimentacin que vendra a ser una estructura que se encuentra al nivel del suelo, hasta la estructuras que se conformaran en las partes ms altas de la construccin. Es aqu donde van a intervenir factores ms peligrosos y que son complejos en su solucin ya que no solo van a dificultar el acceso sino que va a intervenir mucho el tamao del sistema estructural que se est armando.

OBJETIVO PRINCIPAL.Determinar la fuerza de viento en una estructuraOBJETIVO SECUNDARIO.Conocer las especificaciones tcnicas del acero estructural.Investigar y verificar si los pasos son los adecuados o se necesita complementar para que la estructura sea ms estable.

MARCO TEORICO.VELOCIDAD DEL VIENTO

El viento puede alcanzar velocidades de 200 a 250 mph; sin embargo, no seria realista disear todas las estructuras para resistir vientos de esta magnitud. Por lo general los vientos extremos se asocian con perturbaciones ciclnicas, sobre todo con tornados y huracanes, siendo los tornados los de mayores velocidades. El diseo en funcin de los tornados es un tema especial y por ello no se trata en este texto, as como tampoco se consideran los tornados en la mayora de los reglamentos de construccin. Debido a que las velocidades de viento asociadas con huracanes son generalmente menores que aqullas de los tornados graves y usualmente afectan un rea geogrfica mucho mayor, es ms razonable establecer un procedimiento de diseo adecuado basado en vientos con fuerza de huracn.La velocidad del viento es una funcin del tiempo. Las velocidades pico del viento duran solamente uno o dos segundos y no se usan en el diseo. Sin embargo, se deja un margen para rfagas de mayor duracin. Las rfagas no son totalmente efectivas a menos que dure lo suficiente para rodear la estructura. En este estudio y en los reglamentos es importante la "mayor velocidad del viento por milla". Esta se define como la velocidad promedio de 1 milla de aire pasando por un anemmetro.

Por lo general se est de acuerdo para propsitos de diseo, que la variacin de la velocidad del viento, para condiciones variables de suelo, se puede expresar con la frmula

Donde:V2 = velocidad del viento a cualquier altura z. Vg = velocidad gradiente. z = altura sobre el suelo. zg = altura gradiente. 1/a - coeficiente basado en las condiciones del suelo.Este mapa es para intervalos de recurrencia media de cincuenta aos. Los valores de los perfiles sobre el mapa son los equivalentes a un terreno relativamente suave (Exposicin C) a una altura de 33 pies sobre el suelo. Con este mapa como base se aplican ecuaciones y coeficientes para considerar alturas cambiantes, otras exposiciones, rfagas y configuraciones de edificios. Obsrvese que la velocidad de viento bsica mnima es de 70 mph.

Este mapa es para intervalos de recurrencia media de cincuenta aos. Los valores de los perfiles sobre el mapa son los equivalentes a un terreno relativamente suave (Exposicin C) a una altura de 33 pies sobre el suelo. Con este mapa como base se aplican ecuaciones y coeficientes para considerar alturas cambiantes, otras exposiciones, rfagas y configuraciones de edificios. Obsrvese que la velocidad de viento bsica mnima es de 70 mph.

PRESION DEL VIENTOUna velocidad de viento en mph se puede convertir a presin de viento en Lb/pie2. Para hacerlo es necesario hacer algunos supuestos. El viento posee energa cintica por razn de la masa y la velocidad de movimiento del aire. Se supone que la temperatura del aire es de 15C y que la presin es de 760 mm de mercurio. En estas condiciones, la densidad del aire se puede tomar como 0.0765 Lb por pie cbico.

La energa cintica en pie-lb por un pie cbico de masa de aire en movimiento es

Donde:m = es la masa de aire. Para usar unidades gravitacionales (Lb) la masa se puede expresar como:

Donde:W es el peso g :es la aceleracin universal debida a la gravedad, o sea 32.2 pies por segundo .

REGLAMENTO Y C0EFICIENTES DE VIENTOLa mayora de los reglamentos se acepta y usa la formula de presin del viento q obtenida en la seccin anterior, sin embargo, las velocidades bsicas de viento pueden diferir de un rea a otra y por lo tanto para diferentes reglamentos.

El trmino entre corchetes convierte la velocidad bsica del viento a velocidad gradiente, mientras que el trmino entre parntesis determina la velocidad del viento para cualquier altura y exposicin. Debe tenerse presente que la expresin deseada es para un coeficiente de presin, ms que para un coeficiente de velocidad.

En consecuencia, al derivar la frmula para Kz, se hace necesario elevar al cuadrado ambos trminos en la frmula de la velocidad, es decir,Esto se simplifica a

Para las rfagas se debe hacer otra modificacin. Esta se hace mediante el uso de un Factor de Rfaga, Gz. Este factor toma en consideracin el efecto de carga adicional debido a la turbulencia del viento sobre el viento ms veloz por milla.Los trabajos de investigacin de J. W. Vellozzi, E. Cohn y A. G. Davenport. Para edificios que no son sensibles a amplificaciones dinmicas, la frmula para calcular el factor de rfaga es:

Tz se define como el factor de intensidad de turbulencia y se puede determinar por la frmula

Una divisin ms en el procedimiento depende de si la carga se aplica al principal sistema de resistencia al viento o a los componentes y recubrimientos, en el caso de los marcos principales de edificios regulares, el valor qz se multiplica por un Factor de Rfagas (Gh\ y finalmente por un coeficiente de presin para el edificio (Cp). As, la presin de diseo viene a ser

Coeficientes de presin externa de muros (Cp)

Coeficientes de presin externa en techos (Cp)

CARGAS DE VIENTOTodas las estructuras estn sujetas a la accin del viento y en especial las de ms 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 ms vulnerable a los efectos aerodinmicos. En el caso de las estructuras de acero, por su peso propio relativamente bajo y grandes superficies expuestas a la accin del viento, las cargas del viento pueden ser ms importantes que las cargas debidas al sismo. En el Reglamento Nacional de Construcciones se trata muy brevemente este tipo de carga, por lo que en esta publicacin, se ha credo conveniente dar algunos conceptos y mtodos de obtencin de las cargas de viento, del trabajo " Efecto del Viento sobre las Estructuras.

Flujo tpico del viento alrededor de edificios

Los flujos son lentos o desacelerados a medida que se acercan al edificio, producindose una presin positiva en la cara de barlovento.Creada la obstruccin, 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 presin, por debajo de la presin atmosfrica, origina una presin negativa o succin en los muros extremos y en cierta porcin de los techos.

Accin del viento sobre una construccin con techo a dos aguasVELOCIDAD DEL VIENTO.Se deben considerar diversos aspectos en la seleccin de una velocidad de viento, sobre la cual se basan las cargas de diseo para edificios u otras estructuras. En ellos se incluyen la climatologa del rea geogrfica, la rugosidad del terreno en general, el aspecto de la topografa local, la altura del edificio y el nivel aceptable del riesgo de exceder la carga de diseo. La medicin de datos de viento y el procedimiento para obtener velocidades bsicas fueron discutidos anteriormente. Para el anlisis estadstico de las velocidades mximas de viento, los datos deben ser confiables y constituir un grupo homogneo. Para Per, el SENAMHI es la entidad encargada de recoger sistemticamente esta informacin. En los cdigos modernos las velocidades bsicas del viento de diseo estn especificadas claramente en trminos probabilsticos y con el conocimiento de probabilidad de ocurrencia de velocidades altas de viento, obtenidas de un anlisis estadstico de los registros de velocidades de viento.

CARGAS DE DISEO POR VIENTO

Mapa de isotocas para obtener velocidades regionales de vientoCRITERIOS DE DISEOConsideraciones GeneralesDebern revisarse la seguridad de la estructura principal ante el efecto de las fuerzas que se generan por las presiones (empujes o succiones) producidas por el viento sobre las superficies de la construccin expuestas al mismo y que son transmitidas al sistema estructural. La revisin deber considerar la accin esttica del viento y la dinmica cuando la estructura sea sensible a estos efectos.Deber realizarse, adems, un diseo local de los elementos particulares directamente expuestos a la accin del viento, tanto los que forman parte del sistema estructural, tales como cuerdas y diagonales de estructuras triangulares expuestas al viento, como los que constituyen slo un revestimiento (lminas de cubierta y elementos de fachada y vidrios).

Clasificacin de las estructuras:Tipo De Estructura Segn Su Tamao

De acuerdo con su respuesta ante la accin del vientoPara fines de diseo por viento y de acuerdo con la naturaleza de los principales efectos que el viento puede ocasionar en ellas, las estructuras se clasifican en cuatro tipos:Tipo 1. Comprende las estructuras poco sensibles a las rfagas y a los efectos dinmicos de viento. Incluye las construcciones cerradas techadas con sistemas de cubierta rgidos; es decir, que sean capaces de resistir las cargas debidas a viento sin que vare esencialmente su geometra. Se excluyen las construcciones en que la relacin entre altura y dimensin menor en planta es mayor que 5 o cuyo perodo natural de vibracin excede de 1 segundo. Tipo 2. Comprende las estructuras cuya esbeltez o dimensiones reducidas de su seccin transversal las hace especialmente sensibles a las rfagas de corta duracin, y cuyos periodos naturales largos favorecen la ocurrencia de oscilaciones importantes. Se cuentan en este tipo, los edificios con esbeltez, definida como l relacin entre la altura y la mnima dimensin en planta, mayor que 5, o con periodo fundamental mayor que 1 segundo.

Tipo 3. Comprende estructuras como las definidas en el Tipo 2 en que, adems, la forma de la seccin transversal propicia la generacin peridica de vrtices o remolinos de ejes paralelos a la mayor dimensin de la estructura .Son de este tipo las estructuras o componentes aproximadamente cilndricos, tales como tuberas, chimeneas y edificios con planta circular.

Tipo 4. Comprende las estructuras que por su forma o por lo largo de sus perodos de vibracin presentan problemas aerodinmicos especiales.Entre ellas se hallan las cubiertas colgantes, que no pueden incluirse en el Tipo 1.Efectos a considerarEn el diseo de estructuras sometidas a la accin de viento se tomarn en cuenta aquellos de los efectos siguientes que puedan ser importantes en cada caso:a) Empujes y succiones estticos;b) Fuerzas dinmicas paralelas y transversales al flujo principal, causadas por turbulencia;c) Vibraciones transversales al flujo causadas por vrtices alternantes; yd) Inestabilidad aeroelstica.

MTODOS SIMPLIFICADO Y ESTTICO PARA DISEO POR VIENTOPara el clculo de empujes y/o succiones sobre las construcciones del Tipo 1 debidas a la presin del viento, se podr emplear el mtodo esttico al aplicar las presiones de diseo y los coeficientes de presin. El mtodo simplificado podr aplicarse para estructuras con altura no mayor de 15 m, con planta rectangular o formada por una combinacin de rectngulos, tal que la relacin entre una altura y la dimensin menor en planta sea menor que 4. En este ltimo caso se aplicar la presin de diseo, pero los coeficientes depresin se tomarn segn se seala en la ms adelante.

Determinacin de la velocidad de diseo, VDLos efectos estticos del viento sobre una estructura o componente de la misma se determinan con base en la velocidad de diseo.Dicha velocidad de diseo se obtendr de acuerdo con la ecuacin 3.1.

FT: factor correctivo que toma en cuenta las condiciones locales relativas a la topografa del terreno en los alrededores del sitio de desplante;F: factor de exposicin que toma en cuenta la variacin de la velocidad con la altura; yVR: velocidad regional segn la zona que le corresponde al sitio en donde se construir la estructura.VD = FT F VR (3.1) Determinacin de la velocidad regional, vr

La velocidad regional es la velocidad mxima del viento que se presenta a una altura de 10 m sobre el lugar de desplante de la estructura. Velocidades regionales para periodos de retorno de 50 aos

EJERCICIO PRCTICO.

SOLUCION

CONCLUCIONES.Se logro determinar la fuerza de viento en una estructura.Determinamos la gran importancia que tiene las especificaciones tcnicas dentro de un diseo.