Cargas de Viento en las Estructuras INTEGRANTES: Gómez Checalla, Santiago Guevara Yanqui, David Jiménez Pastor, Mayra Navarro Navarro, Roy Tala Vizcarra,

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1 Cargas de Viento en las Estructuras INTEGRANTES: Gómez Checalla, Santiago Guevara Yanqui, David Jiménez Pastor, Mayra Navarro Navarro, Roy Tala Vizcarra, Erika 29 SETIEMBRE 2016 CURSO: DISEÑO EN ACERO Y MADERA

2 El viento es el movimiento del aire que está presente en la atmósfera, especialmente, en la troposfera, producido por causas naturales. Se trata de un fenómeno meteorológico. causa de los vientos movimientos de rotación y de traslación terrestresdiferencias considerables en la radiación solar absorbida de manera indirecta por la atmósfera La causa de los vientos está en los movimientos de rotación y de traslación terrestres que dan origen a su vez a diferencias considerables en la radiación solar o insolación, principalmente de onda larga (infrarroja o térmica), que es absorbida de manera indirecta por la atmósfera. El viento

3 Viento Los 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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5 ¿Cuál es el efecto del viento? El viento es aire en movimiento, cuando alcanza grandes velocidades puede generar empujes y succiones intensas que pueden dañar a las estructuras.

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10 COMPROBACION DE LA TEORIA APLICADA Alternativas a los túneles de viento, un estudio de las mediciones y simulaciones numéricas realizadas sobre el vehículo,programas funcionamiento de los dichos programas,alternativas a los túneles de viento y simulación aerodinámica CFD (Computational Fluid Dynamics). TÚNELES DE VIENTO

11 -En ingeniería, un túnel de viento o túnel aerodinámico es una herramienta de investigación desarrollada para ayudar en el estudio de los efectos del movimiento del aire alrededor de objetos sólidos. Con esta herramienta se simulan las condiciones que experimentará el objeto de la investigación en una situación real. En un túnel de viento, el objeto o modelo, permanece estacionario mientras se propulsa el paso de aire o gas alrededor de él. Se utiliza para estudiar los fenómenos que se manifiestan cuando el aire baña objetos como aviones, naves espaciales, misiles, automóviles, edificios o puentes.

12 Los edificios altos y esbeltos, las estructuras con formas complejas o poco comunes y las estructuras flexibles y ligeras sujetas a vibraciones requieren de ensayos en un túnel de viento o de modelación por computadora para investigar cómo responden a la distribución de la presión del viento. -Tipos de túneles de viento,abiertos y cerrados.

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14 Tipos de túneles de viento,abiertos y cerrados

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23 MAYORES VELOCIDADES DE VIENTO, OCURREN A CAUSA DE HURACANES Y EN ZONAS COSTERAS Las MAYORES VELOCIDADES DE VIENTO, OCURREN A CAUSA DE HURACANES Y EN ZONAS COSTERAS. El daño en un muro por el empuje del viento es similar al indicado para sismos ya que se ve sujeto a una fuerza lateral.

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25 Tabla 1.Escala Saffir Simpson Los huracanes en el Océano Atlántico son fenómenos muy comunes que se forman sobre aguas cálidas entre junio y noviembre, los vientos superficiales juegan un papel muy importante en su formación. La costa sureste de los Estados Unidos y las Antillas Mayores (Puerto Rico, la Española y Cuba) han sido históricamente las zonas más afectadas por huracanes en el Mar Caribe.

26 Huracanes sudamericanos Sudamérica es una región exenta de huracanes debido a que en la región predominan los vientos de cizalladura vertical, nocivos para las formaciones ciclónicas.cizalladura vertical A eso hay que sumarle que no existen zonas de perturbaciones favorables a la formación de depresiones ciclónica y que existe el Alto de Presión del Atlántico Sur, todo conspira para que no tengamos huracanes en la región.Alto de Presión del Atlántico Sur Hasta el año 1991, cuando por primera vez se observó la formación de un ciclón tropical enfrente de las costas de Angola, siquiera se pensaba que existían. Al del 91 se le sumaron los sistemas del 94, 3 del 2004 y otro más del 2006. Eso llevó a realizar un workshop mundial y a reevaluar los datos, llegando a la conclusión que entre 1966 y 2007 se habían desarrollado 63 ciclones subtropicales en el Atlántico Sur.se habían desarrollado 63 ciclone

27 De todos los 63 ciclones subtropicales, el único que alcanzó categoría de huracán fue el denominado “Catarina“, llegando a 155km/hCatarina Por último y siguiendo en la región sur, en las costas oeste de Sudamérica (Chile, Perú, Ecuador) es virtualmente imposible la formación de ciclones debido a que el agua es extremadamente fría por la corriente de Humboldt.corriente de Humboldt

28 Los cirros a gran altitud muestran el efecto de la cizalladura del vientocirros Nubes cirro. Símbolo Altitud por encima de 5 kmkm ¿Nube de precipitación? No

29 El Bahrain World Trade Center, situado en el paseo marítimo de Manama, en Baréin, es el primer rascacielos del mundo en integrar aerogeneradores en su diseño.

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32 Las dos torres de 50 pisos están vinculados a través de tres skybridges, cada uno con una turbina de viento de 225 kW, con un total de 675 kW de capacidad de energía eólica. Cada una de estas turbinas miden 29 metros de diámetro, y están alineadas hacia el norte, que es la dirección desde la cual el aire sopla desde el Golfo Pérsico. Los edificios con forma de vela, a ambos lados, están diseñados para canalizar el viento, acelerando el paso de este hacia las turbinas.

33 Aunque la mayoría de los edificios aprovechan la energía del sol, hay uno que ha elegido una fuente de energía menos convencional, al menos, para un edificio, el viento. Está ubicado en su ciudad capital, Manama. Las torres tienen 240 metros de altura y 50 pisos en total

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36 Estructura Toda construcción está destinada a soportar su propio peso y la presencia de acciones exteriores (fuerzas, momentos, cargas térmicas, etc.) sin perder las condiciones de funcionalidad para las que fue concebida ésta. Una estructura tiene un número de grados de libertad negativo o cero, por lo que los únicos desplazamientos que puede sufrir son resultado de deformaciones internas.

37 El viento en las estructuras La presión ocasionada por el viento es proporcional al cuadrado de la velocidad y debe ser calculada, principalmente, en las superficies expuestas de una estructura. Debidoalarugosidad de la tierra, la velocidad del viento es variable y presenta turbulencias. Sin embargo, se asume que la edificación asume una posición deformada debido a una velocidad constante y que vibra a partir de esta posición debido a la turbulencia.

38 El procedimiento analítico para evaluar los efectos producidos por la fuerza del viento involucra el análisis simple, si los efectos producidos por la fuerza del viento no son fundamentales en el diseño, o el análisis completo, si por el contrario, las fuerzas de viento en algún sentido resultan determinantes de el diseño. Estas cargas dependen de la ubicación de la estructura, de su altura, del área expuesta y de la posición. Las cargas de viento se manifiestan como presiones y succiones.

39 Para un terreno muy liso, como en campo abierto con vegetación muy baja, el viento mantiene velocidad muy alta aun muy cerca de la superficie, mientras que en el centro de ciudades con edificaciones altas, la velocidad disminuye muy rápidamente desde una altura de varias decenas de metros, hasta la superficie del terreno.

40 La velocidad gradiente se alcanza a una altura del orden de 250 m en campo abierto, mientras que en el centro de una ciudad se alcanza a cerca de 500 m.

41 Cuando el libre flujo del viento se ve obstaculizado por un objeto fijo, tiene que desviarse para rodearlo, por lo cual produce presiones sobre el objeto. Las partículas de aire golpean en la cara expuesta directamente al efecto del viento, cara de barlovento, ejerciendo sobre ella un empuje. En la cara opuesta, de sotavento, las estelas del flujo se separan del objeto provocando una succión.

42 Los dos efectos se sumas dando lugar a una fuerza de arrastre sobre el objeto. La fuerza llamada de sustentable es importante en el diseño de secciones pequeñas y ligeras como los ángulos que forman las torres y armaduras. En las caras laterales se presenta una distribución de presiones que varía de empuje a succión.

43 La forma de la distribución de presiones puede resultar bastante compleja, dependiendo de la geometría del objeto. La velocidad del viento presenta componentes importantes cuyas fluctuaciones con el tiempo dependen de la velocidad máxima del flujo, pero que para los vientos de interés tienen periodos superiores a 2 segundos. Si excede este tiempo, algunos componentes de fluctuación de la velocidad pueden entrar en sincronía con la vibración del edificio y producir amplitudes de deformación perjudiciales. Son muchos los casos donde se exceden estos valores y especialmente en estructuras de bajo amortiguamiento, como lo son torres y edificios muy esbeltos, antenas y cubiertas colgantes.

44 Para algunas formas geométricas particulares, la perturbación implica la formación de vórtices que se generan periódicamente y en forma asimétrica, produciendo vibraciones en el cuerpo.

45 Cuando las estructuras impiden el flujo del viento, la energía cinética de éste reconvierte en energía potencial de presión, lo que causa la carga de viento. El efecto del viento sobre una estructura depende de la densidad y velocidad del aire, del ángulo de incidencia del viento, de la estructura y de la rugosidad de su superficie.

46 Cargas de Viento (w) Las cargas de viento y explosiones producen presión o succión sobre las superficies expuestas de las construcciones. La carga de viento es una carga muy importante en el diseño de estructuras altas o muy flexibles, como los puentes colgantes, o de gran superficie lateral, como las bodegas o grandes cubiertas.

47 Los factores que influyen en la magnitud de esta carga son: La velocidad del viento y su variación con la altura. La magnitud de las ráfagas. Las condiciones locales de la superficie del terreno circunvecino. La forma de la superficie expuesta al viento. La zona o región. Es especialmente crítico el efecto en aquellas zonas del mar Caribe sometidas a huracanes o ciclones, que producen velocidades del viento superiores a los 200 KMH.

48 La presión del viento ha causado muchos daños inesperados. Durante los procesos de construcción es común que las paredes de ladrillo o de bloques de concreto, queden sin apoyo hasta que se construyan los elementos de amarres de los techos, con lo que vientos ligeros pueden derribar estos muros sin apuntalamiento, debido a la gran superficie expuesta a la presión del viento.

49 Las estructuras muy flexibles como los cables de transmisión o los puentes colgantes pueden recibir fuerzas periódicas que inducen vibraciones, causando hasta la falla. Es famosa la falla del Puente de Tacoma (USA), en 1940, que con un viento suave entró en resonancia, produciéndose su colapso, que afortunadamente sirvió para impulsar el estudio del fenómeno y definió un nuevo rumbo en el diseño de puentes colgantes y en la consideración del efecto dinámico del viento como carga o acción estructural.

50 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:

51 Velocidad de viento de diseño El parámetro básico que se requiere estudiar para fijar la intensidad de la acción de diseño es la velocidad máxima con que el viento puede actuar sobre la estructura durante la existencia de ésta. La mayoría de los reglamentos recienten afirman que las velocidades que establecen para el diseño de las estructuras comunes corresponden a periodos de recurrencia de alrededor de 50 años, lo que implica una probabilidad de 63% de que dicha velocidad sea excedida por lo menos una vez en 50 años, que es lo comúnmente aceptado como duración deseable de una estructura.

52 La información directa con que se cuenta consiste en los resultados registrados de anemómetros colocados en estaciones meteorológicas ubicadas en aeropuertos y en otras instalaciones.

53 En el Perú el SENAMHI es la identidad b 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.

54 Procedimientos de diseño por viento Elefectodelviento debe analizarseen relación con las fuerzas que se inducen sobre el sistema principal de la estructura y también deben analizarse los efectos locales en elementos estructurales aislados y en elementos no estructurales, tanto en el exterior como en el interior de la construcción. Elvientopuedeactuarencualquier dirección, debe investigarse cuál en la dirección que produce efectos más desfavorables en la estructura.

55 En edificios regulares y en otras estructuras comunes es suficiente revisar en forma independiente la acción del viento en dos direcciones ortogonales que coinciden con los ejes principales del sistema estructural. En las estructuras comunes será suficiente considerar el efecto estático del viento determinando las presiones o succiones que actúan en dirección perpendicular a la superficie expuesta al viento.

56 La velocidad del viento depende de los siguientes factores: *De la ubicación geográfica de la construcción. *De las características topográficas locales del sitio en lo relacionado con la rugosidad de la superficie. *De la altura sobre el nivel del terreno de la porción de la estructura que se está considerando. *De la importancia de la construcción. *De la sensibilidad de la estructura a los efectos de ráfaga.

57 Para un edificio de paredes cerradas, la trayectoria de las líneas de flujo del aire se muestra:

58 De ella se deduce que el viento produce un empuje sobre la cara de barlovento y succiones en la cara de sotavento y en el techo. En techos inclinados, si la pendiente es muy grande llega a generarse empuje en la cara de barlovento del techo.

59 La distribución de presiones medida en un modelo de edificio de geometría similar al anterior sujeto en túnel de viento a una velocidad constante del aire. La presión es constante en cada una de las dos caras normales a la dirección del flujo, lo que permite especificar un factor de forma constante para la cara de barlovento y otro para la de sotavento. En las caras laterales y en el techo se presentan succiones muy altas en las zonas adyacentes a la cara de barlovento y valores mucho menores en zonas más alejadas de esta cara.

60 Ejemplo CALCULO DE CARGA DEBIDO AL VIENTO REALIZAR el calculo de las presiones producidas por el viento en una nave industrial con techo de dos aguas. DATOS: La nave se localiza en Ica. Su geometría y dimensiones son las indicadas en la figura.

61 En este ejemplo analizaremos para una estructura cerrada, sin aberturas. Con dirección del viento transversal a la construcción. SOLUCION: 2.- VELOCIDAD DE DISEÑO: Tomando en cuenta su ubicación y considerando la estructura como permanente, del Mapas eólico se obtiene: v=55 km/h

62 3.- PRESION DINAMICA: v=55 km/h

63 VIENTO TRANSVERSAL A LA CONSTRUCCION. 4.- COEFICIENTE DE PRESION: PARA LOS MUROS: C1 = 0.90 C2 = -0.70 C3 = -0.50

64 PARA EL TECHO: Superficie Barlovento: tan θ = 3/6 = 0.5 θ = arc tan (0.5) = 26.6 ° C4 = 0.04B - 1.2 C4= 0.04*(26.6) - 1.2 C4 = -0.14 Superficie de Sotavento: C5 = -0.70

65 Como la estructura se considera cerrada (n = 0), las presiones interiores se tomarán en cuenta con el C pi más desfavorable. C pi = ± 0.30 El efecto combinado de las presiones exteriores e interiores se toma aplicando: C1 = 0.90 - (+0.3) = 0.6 óC1 = 0.90 - (-0.30) = 1.2 ; C1 = 1.2 C2 = -0.70 - (+0.3) = -1.0 ó C2 = -0.70 - (-0.30) = -0.4;C2 = -1.0 C3 = -0.50 - (+0.3) = -0.8 ó C3 = -0.50 - (-0.30) = -0.2; C3 = -0.8 C4 = -0.14 - (+0.3) = -0.44 óC4 = -0.14 - (-0.30) = -0.16; C4 = -0.44 C5 = -0.70 - (+0.3) = -1.0 ó C5 = -0.70 - (-0.30) = -0.4; C5 = -1.0

66 5.- PRESIONES: Las presiones se calculan aplicando: p = C * q Con el valor de q (PRESION DINAMICA) ya obtenido y considerando los coeficientes de presión que produzcan el mayor efecto se tiene: p1 = 15*1.2 = 18 kg/m 2 p2 = 15*(-1.0) = -15 kg/m 2 p3 = 15*(-0.8) = -12 kg/m 2 p4 = 15*(-0.44) = -7 kg/m 2 p5 = 15*(-1.0) = -15 kg/m 2 C1 = 1.2 C2 = -1.0 C3 = -0.8 C4 = -0.44 C5 = -1.0

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