Metodología para la evaluación de la seguridad estructural de edificios 01 de Abril de 2019

2 –Efecto del Viento en las estructuras

Centro Nacional de Prevención de Desastres Efecto del viento en las estructuras Viento El viento es el aire en movimiento, es decir, el desplazamiento de los gases que constituyen la atmósfera de nuestro planeta. Este movimiento ocurre principalmente por las diferencia en la presión atmosférica debido principalmente a cambios de temperatura en distintos lugares de la superficies de la Tierra.

Centro Nacional de Prevención de Desastres Efecto del viento en las estructuras ¿ Qué es un huracán ? Es la etapa más crítica de un ciclón tropical Es un área de baja presión que se origina sobre los océanos tropicales y donde los vientos giran en sentido contrario a las manecillas del reloj en el hemisferio norte. ¿ Qué es un ciclón tropical ?

Centro Nacional de Prevención de Desastres Efecto del viento en las estructuras Los ciclones tropicales se clasifican según la intensidad de los vientos sostenidos, con la escala Saffir-Simpson en: Depresión tropical Presión > 1005 mb Tormenta tropical Presión mb Huracán Presión < 985 mb Etapas de los ciclones tropicales CategoríaPresión, mb Velocidad, km/h Depresión Tropical (DT) > 1005< 62 Tormenta Tropical (TT) Huracán Huracán Huracán Huracán Huracán 5 < 920  252

Centro Nacional de Prevención de Desastres Efecto del viento en las estructuras Desplazamiento de masas de aire Más presión Menos presión Baja presión Alta presión Frío Viento Calor Así, si un terreno tiene alta temperatura, el aire se vuelve menos denso (se expande y pesa menos) por lo tanto hay menos presión atmosférica; y si otra zona cercana está más fría, entonces el aire frío y más denso (mayor presión) empieza a desplazarse hacia la zona de menor presión y se establece un flujo o movimiento del aire. Se puede hacer la analogía con una barra de jabón que presionamos en sus dos extremos con las manos, pero presionando más en una:  el jabón se moverá hacia donde hay menos presión.

Centro Nacional de Prevención de Desastres Efecto del viento en las estructuras Ciclón tropical Rotación de la Tierra Zona de baja presión Se generan cuando el viento se mueve hacia una zona de baja presión atmosférica; en esta zona se encuentran dichos vientos y empiezan a girar como una espiral. La rotación de la Tierra produce que este giro sea siempre en la misma dirección que en el hemisferio norte es en contra de las manecillas del reloj

Centro Nacional de Prevención de Desastres Efecto del viento en las estructuras Circulación del viento en el planeta Además del movimiento circular el ciclón se traslada a lo largo de los océanos (se sigue la trayectoria de su centro) y llega a impactar en los continentes.

Centro Nacional de Prevención de Desastres Efecto del viento en las estructuras CAPA DE ENTRADA. Capa de viento que se extiende hasta una altura de 3 mil m, las corrientes de aire se dirigen con gran fuerza hacia el centro. CAPA DE ASCENSO. Está entre los 3 y 6 mil m, el aire sube hacia la región donde está la nubosidad y las bandas de lluvia. CAPA DE SALIDA. Se encuentra a partir de los 6 km y las corrientes de aire salen del centro hacia el exterior. Estructura de un huracán

Centro Nacional de Prevención de Desastres Efecto del viento en las estructuras Zonas de ciclones tropicales en México Además del movimiento circular el ciclón se traslada a lo largo de los océanos (se sigue la trayectoria de su centro) y llega a impactar en los continentes.

Centro Nacional de Prevención de Desastres Efecto del viento en las estructuras Escala de Beaufort – Medida Empírica de la Velocidad Beaufort Velocidad del viento (KPH) Velocidad del viento (MPH) Indicación Concepto/ valoración El humo asciende verticalmentetranquilo El humo se desvía suavemente hacia un ladosuave El viento se percibe en la pielsuave Se mueven banderas ligerasmoderado Se mueve polvo y papelesmoderado Pequeños árboles empiezan a mecerse al vientovivo Los paraguas ya no se pueden utilizarfuerte Todos los árboles se mueven fuertemente / ya cuesta trabajo moverse contra la dirección del viento fuerte Las astas de los árboles se quiebranmuy fuerte Pueden presentarse daños importantes en edificiosmuy fuerte Pueden presentarse los peores daños en edificiosmasivo Pueden presentarse los peores daños en edificiosmasivo 12> 117> 73Casi nunca sucede; acompañado de devastación.huracanes

Centro Nacional de Prevención de Desastres Efecto del viento en las estructuras Estación meteorológica La velocidad del viento se mide en estaciones meteorológicas con el anemómetro que tiene casoletas (como cuchara) que giran con el viento como un rehilete. Así se han establecido mediciones de viento por muchas décadas en muchas zonas del país con lo que es posible establecer estadísticamente las velocidades máximas.

Centro Nacional de Prevención de Desastres Efecto del viento en las estructuras Registros de viento Los registros de viento (anemogramas) son gráficos con datos muy variables, por lo que conviene establecer valores promedio sostenidos en lapsos de tiempo de algunos minutos (componente estático) así como valores promediados en pocos segundos y que se conocen como efecto de ráfaga.

Centro Nacional de Prevención de Desastres Efecto del viento en las estructuras Registros de viento Servicio Meteorológico Nacional

Centro Nacional de Prevención de Desastres Efecto del viento en las estructuras Registros de viento Centro Nacional de Huracanes de Estados Unidos

32 Latitud Longitud Mapa de Isostacas para Periodo de Retorno de 200 Años. Comisión Federal de Electricidad Velocidades de viento máximo Isotacas Altura sobre el terreno Categoría del terreno lapso de promediación km/h 10 m 2 3 s T R = 200 años

32 Latitud Longitud Mapa de Isotacas para Periodo de Retorno de 50 Años. Comisión Federal de Electricidad Velocidades de viento máximo Isotacas Altura sobre el terreno Categoría del terreno lapso de promediación km/h 10 m 2 3 s T R = 50 años

Centro Nacional de Prevención de Desastres Efecto del viento en las estructuras Consecuencias Primarias: Falta de energía eléctrica y comunicación telefónica. Secundarias: Incendios. Terciarias: Pérdida de biodiversidad, epidemias, hambrunas y plagas.

Centro Nacional de Prevención de Desastres Efecto del viento en las estructuras Diseño eólico de estructura: Velocidad regional, V R Se define para condiciones específicas: a 10 m de altura en campos abierto y plano para un tiempo de promediación de 3 segundos para el periodo de retorno según la importancia de la estructura Se define en reglamentos de diseño de la localidad y es el resultado de estudios de peligro basados en la medición histórica de velocidades de viento, en otras consideraciones estadísticas y en modelos matemáticos.

Centro Nacional de Prevención de Desastres Efecto del viento en las estructuras Velocidad de diseño, V d En reglamentos y manuales de diseño eólico se establece una corrección de la velocidad regional para calcular la velocidad de diseño por viento: V d = F TR F  V R donde: V R velocidad regional, F TR factor por topografía y rugosidad del terreno, y F  factor por altura.

Centro Nacional de Prevención de Desastres Efecto del viento en las estructuras Condiciones de rugosidad del terreno NTC diseño por viento, Reglamento del DF-2004 La “rugosidad” del terreno es un factor que modifica la velocidad del viento para fines de diseño. Implica la reducción del libre flujo del viento por los obstáculos, y que va desde un terreno liso sin árboles hasta una ciudad llena de edificios. En función de estas condiciones se establece el factor F TR.

Centro Nacional de Prevención de Desastres Efecto del viento en las estructuras Condiciones de topografía del terreno planomontículo valle cerrado T5 T1 T3 V T4 T2 V V NTC diseño por viento, Reglamento del DF-2004 Otro factor es la topografía del terreno, ya que un edificio arriba de un cerro o promontorio recibirá más directamente el viento que en las laderas, en un terreno plano o en el fondo de un valle. Por tanto se establecen valores para el factor F TR.

Centro Nacional de Prevención de Desastres Efecto del viento en las estructuras Factor por topografía y rugosidad del terreno Tipos de topografía Rugosidad de terrenos en alrededores Terreno tipo R2 Terreno tipo R3 Terreno tipo R4 T1Base protegida de promontorios y faldas de serranías del lado de sotavento T2Valles cerrados T3Terreno prácticamente plano, campo abierto, ausencia de cambios topográficos importantes, con pendientes menores de 5 % (normal) T4Terrenos inclinados con pendientes entre 5 y 10 % T5Cimas de promontorios, colinas o montañas, terrenos con pendientes mayores de 10 %, cañadas o valles cerrados

Centro Nacional de Prevención de Desastres Efecto del viento en las estructuras Fuerzas sobre un cuerpo sólido Cuando la masa de aire choca con un obstáculo sólido ejerce una presión sobre él, mientras trata de rodearlo para seguir su trayectoria. La cara donde choca el aire se llama de barlovento, y la opuesta, donde se las estelas del flujo se separan del objeto, se generan succiones (cara de sotavento). 1 2 Barlovento Sotavento Flujo del viento Succión Presión Succión Aplicando la ecuación de Bernoulli: p 1 + ½  v 1 ² = p (energía de presión + energía cinética) 1 (energía de presión + energía cinética) 2 =  p = ½ C p  v²  densidad del aire Cpcoeficiente de presión

Centro Nacional de Prevención de Desastres Efecto del viento en las estructuras Estimación de fuerzas de diseño Retomando la ecuación:p = ½  C p V d ² Con una densidad  = kg·s²/m (a 15 o C a nivel del mar) y si usamos km/h, donde 1 m/s = 3.6 km/h ½ 0.125/3.6² = por tanto: p z = C p V d ² donde: p z presión en kg/m², V d velocidad de diseño en km/h, y C p coeficiente de presión.

Centro Nacional de Prevención de Desastres Efecto del viento en las estructuras Coeficiente de presión, C p Depende de la forma de la estructura y se define para cada parte diferente de la misma: cara de “barlovento” (donde pega el viento) cara de “sotavento” (opuesta a barlovento) paredes laterales techos dependiendo si son planos, inclinados (depende del ángulo), si son a una agua o a dos aguas, y si esos techos están alineados con la dirección del viento o son perpendiculares a ella. otras estructuras como anuncios o bardas. para revisión local de recubrimientos y otros elementos no estructurales en aristas u otras zonas específicas de la estructura.

Centro Nacional de Prevención de Desastres Efecto del viento en las estructuras Coeficiente de presión, C p

Centro Nacional de Prevención de Desastres Efecto del viento en las estructuras Análisis estructural para definir elementos mecánicos El viento es un fenómeno dinámico pero se puede analizar simplificadamente con los efectos como si fueran fuerzas estáticas equivalentes. Se considerarán varias condiciones de carga: en dirección horizontal contra una fachada (de barlovento) en dirección contraria succionando dicha fachada (de sotavento) en dirección perpendicular a estas, empujando para un lado y luego para el otro. Con las presiones colocadas sobre las cubiertas como muros, losas, ventanales, techos de lámina, etc., se definen las cargas sobre los elementos estructurales como columnas y trabes o sobre muros, y se hace el análisis estructural manualmente o con computadora que nos arrojará como resultado los elementos mecánicos (fuerzas y momentos) para los que deben diseñarse la estructura.

MAYOR INFORMACIÓN: protección civil federal: Óscar López Bátiz Subdirector de Riesgos Estructurales