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La acción de las cargas de viento es crucial en el diseño de estructuras como edificios altos, torres de transmisión y antenas de comunicación.
La mayoría de códigos de países de Latinoamérica están basados en las disposiciones del ASCE 7, que propone diferentes métodos para el cálculo de las cargas de viento. En este artículo te contamos sobre las cargas de viento basadas en la versión 7-05 y su aplicación en edificios y otras estructuras en midas Gen, para lo cual tomaremos como referencia el código NSR-10 de Colombia.
Efecto del viento sobre las estructuras
La carga del viento es una carga ambiental asociada con altos grados de variabilidad y depende de la velocidad del viento, el tipo de terreno que rodea la estructura, la fluctuación del viento, la altura sobre el suelo y el área expuesta.
Cuando el viento libre se encuentra con un obstáculo por ejemplo una estructura, se desvía para rodearla. Estos desvíos de flujo producen presiones como se puede observar en la Figura 1.
Figura 1. Flujo de aire sobre obstáculos fijos. (Scruton y Flint, 1964)
Para diseñar una estructura que resista el viento, se deben determinar las fuerzas que se ejercen sobre ella y para esto se puede hacer uso de diferentes procedimientos.
Procedimientos según NSR-10
En el numeral B.6.1.1 se especifica que las cargas de viento de diseño para edificios y otras estructuras incluyendo el sistema principal resistente a cargas de viento (SPRFV) y todos los componentes y elementos de revestimiento, deben ser determinadas de acuerdo con uno de los siguientes procedimientos:
- Método 1: Procedimiento Simplificado, para edificios que cumplan los requisitos especificados en la sección B.6.4
- Método 2: Procedimiento Analítico, para edificios que cumplan los requisitos especificados en la sección B.6.5.
- Método 3: Procedimiento de Túnel de Viento como se especifica en la sección B.6.6.
Procedimiento analítico
En el procedimiento analítico la presión es expresada en función de los coeficientes de presión, de la presión dinámica del viento y de varios factores adicionales que tienen en cuenta los efectos topográficos, la rugosidad, el tamaño de la edificación, la altura sobre el terreno, la importancia de la estructura y los efectos de ráfaga.
Según la NSR-10, las fuerzas de viento de diseño se pueden calcular de acuerdo con diferentes expresiones matemáticas que dependen del tipo de estructura:
Edificios cerrados o parcialmente cerrados (B.6.5.12)
Edificios abiertos con cubiertas a una y dos aguas y en artesa (B.6.5.13)
Muros libres y vallas macizas (B.6.5.14)
Otras estructuras (B.6.5.15)
Edificios cerrados o parcialmente cerrados
Según NSR-10, se clasifica un edificio como abierto cuando tiene aberturas de al menos un 80% del área en cada una de las paredes que conforman el cerramiento del edificio (fachadas y cubiertas).
Un edificio se clasifica como parcialmente cerrado cuando se cumple que:
El área total de aberturas en una pared que recibe presión externa positiva excede por más del 10% a la suma de las áreas de aberturas en el área del revestimiento del edificio (paredes y cubierta)
El área total de aberturas en una pared que soporta cargas positivas, excede de 0.37 m2 o 1% del área de esa pared (la que sea menor), y el porcentaje de aberturas en el área restante del revestimiento del edificio no excede 20%
Un edificio se clasifica como cerrado cuando no cumple los requerimientos de edificios abiertos o parcialmente cerrados.
Fuerzas de viento de diseño en edificios cerrados o parcialmente cerrados
En el capítulo B.6.5.12 de la NSR-10, se describe la ecuación para calcular las presiones de viento de un edificio rígido de cualquier altura:
Donde:
q= Presión dinámica evaluada a la altura total de la estructura.
GCp= Coeficiente de presión externa.
GCPi= Coeficiente de presión interna.
*Edificio rígido: Un edificio u otra estructura cuya frecuencia fundamental sea mayor o igual a 1 Hz.
Presión por velocidad
La presión dinámica o presión por velocidad es un parámetro que involucra el factor de dirección del viento, el coeficiente de exposición de presión por velocidad, el factor topográfico y el coeficiente de importancia de la estructura.
En el capítulo B.6.5.10 de la NSR-10 se indica la expresión matemática para calcular la presión por velocidad:
Donde:
Kz= Coeficiente de exposición de presión por velocidad
Kzt= Factor topográfico
Kd= Factor de dirección de viento
V= Velocidad básica de viento
I= Factor de importancia
Wind loads: Fuerzas de viento de diseño en edificios
Con la función Wind Loads es posible calcular de manera automática según NSR-10, las fuerzas de viento de diseño de edificios rígidos de acuerdo con la ecuación para edificios cerrados o parcialmente cerrados; los datos de entrada se observan en la Figura 2.
Figura 2. Datos de entrada para cálculo automático de fuerzas de viento
Al generar el documento de los cálculos detallados se puede observar la fórmula con la cual se están calculando las presiones de viento de diseño:
Fuerzas de viento de diseño en otras estructuras
En el capítulo B.6.5.15 de la NSR-10 se indica que la fuerza de viento de diseño para otro tipo de estructuras; es decir, que no hagan parte de la siguiente clasificación:
Edificios cerrados o parcialmente cerrados (B.6.5.12)
Edificios abiertos con cubiertas a una y dos aguas y en artesa (B.6.5.13)
Muros libres y vallas macizas (B.6.5.14)
Se deberá calcular con la siguiente ecuación:
Donde:
qz= Presión por velocidad evaluada a la altura z del centroide del área Af
G= Factor de efecto ráfaga
Cf= Coeficiente de fuerza
As= Área proyectada normal al viento, excepto donde Cf se haya especificado para la superficie real, en m2.
Wind Pressure: Fuerzas de viento de diseño en otras estructuras
Para aplicar las cargas de viento de acuerdo con el método analítico en una estructura que no clasifique como edificio cerrado o parcialmente cerrado, podemos hacer uso de la función Wind Pressure; los datos de entrada se observan en la Figura 3.
Figura 3. Datos de entrada para cálculo de presiones de viento con Wind Pressure
Ejemplo de aplicación: Torre de transmisión eléctrica
La carga de viento sobre una torre de transmisión se aplica en dirección perpendicular a la superficie.
En la Figura 4 se puede observar el área de carga que se ha definido con la función Loading Area Plane, al seleccionar los elementos que conforman ese plano para aplicar la fuerza de viento en la dirección X.
Figura 4. Definición de área de carga con función Loading Area Group Name
Se calcularon las presiones de viento en una hoja de cálculo como se indica a continuación.
El coeficiente de exposición de presión por velocidad Kz se determinó con la siguiente fórmula que depende de la altura:
Alfa y Zg dependen de la categoría de exposición, para este caso se consideró una categoría C.
Con los valores de Kz y el resto de factores definidos, se calcularon las presiones por velocidad.
*Coeficiente de fuerza: torre de sección triangular
Luego se copiaron y pegaron los valores en midas Gen:
Después de definir la función se procedió a aplicar las fuerzas con la opción Function Wind Pressure:
Conclusiones
Para el ejemplo de aplicación, se presentan los resultados de las presiones de viento qz calculadas manualmente y de acuerdo con las ecuaciones para edificios cerrados o parcialmente cerrados y para otras estructuras se concluye lo siguiente:
Para calcular las fuerzas de viento en otras estructuras se deben considerar los factores de efecto ráfaga y los coeficientes de fuerza. Las presiones de viento multiplicadas por G*Cf son casi 3 veces mayores que las presiones de viento sin amplificar calculadas con Wind Loads según la ecuación de presión por velocidad.
La función Wind Load calcula las fuerzas de viento de diseño de acuerdo con la ecuación para edificios cerrados o parcialmente cerrados y la función Wind Pressure permite determinar las fuerzas de viento de acuerdo con cualquier ecuación y para cualquier estructura.
Referencias
- Reglamento colombiano de construcción sismo resistente NSR-10.
- Minimum Design Loads and Associated Criteria for Buildings and Other Structures, ASCE/SEI 7-16.
- Efectos de viento en estructuras, Enrique Mendoza, Mario Zermeño, Guadalupe Moisés, Alberto López.
