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Protección contra el Viento


Para un diseño práctico, el viento y los sismos se pueden considerar cargas horizontales o laterales. Aunque las cargas de viento (eólicas) y sísmicas pueden tener componentes verticales, éstos son generalmente pequeños y son resistidos con facilidad por las columnas y muros de carga.

La variación de la magnitud de la carga eólica con la altura de un edificio de muchos niveles a partir del suelo difiere de la correspondiente a la carga sísmica. Sin embargo, las medidas que se toman para resistir ambos tipos de cargas son similares.

Aun en zonas en que es pequeña la probabilidad de que se presente un terremoto intenso o un viento fuerte, es aconsejable proporcionar a los edificios una resistencia considerable para ambas cargas. En muchos casos, tal resistencia se logra con poco o ningún incremento de los costos de diseños en los que se pasa por alto la resistencia sísmica y eólica.

 

CARACTERÍSTICAS DEL VIENTO

Puesto que las cargas eólicas se consideran fuerzas horizontales, la presión del viento, con fines de diseño, se supone aplicada en el área total de la porción vertical del edificio situada por encima del nivel promedio del terreno circundante. Aunque se considera que las cargas son horizontales, éstas pueden generar presiones internas o succiones en superficies horizontales o inclinadas. En todo caso, se supone que las cargas por viento actúan perpendicularmente a las superficies expuestas del edificio. Además, se considera hipotéticamente que el viento proviene de cualquier dirección, a menos que se sepa que en una localidad específica los vientos extremos soplan en determinado sentido. En el diseño se considera que cada muro de un edificio rectangular está sujeto a la máxima carga eólica.

 En general, los vientos golpean los edificios en ráfagas. Por ello, la construcción está sometida a una carga dinámica. Sin embargo, excepto en edificios extremadamente altos o esbeltos, es práctica común tratar al viento como una carga estática, aunque su presión no sea constante.

El cálculo de la presión eólica de diseño se complica por varios factores. Uno es el efecto de los obstáculos, tanto naturales como artificiales, presentes en la superficie del terreno; otro es la variación de la velocidad del viento con la altura sobre el terreno; otro más es el efecto de la forma geométrica (relación entre la altura o el ancho y el largo) de los edificios sobre las presiones. En proyectos importantes, es aconsejable basar las presiones de diseño en los resultados obtenidos mediante pruebas sobre modelos del edificio en túneles de viento, y en los datos provenientes de los edificios y el terreno circundantes.

 

PRESIONES Y SUCCIONES POR VIENTO

Las presiones se consideran positivas cuando tienden a empujar un elemento del edificio hacia el interior de éste. Se consideran negativas las que tienden a succionar los elementos hacia fuera.

En la figura 3-la se muestra el flujo del viento sobre el techo inclinado de una edificación de poca altura. En techos con inclinaciones hasta de unos 300, el viento puede ejercer succión sobre todo el techo (fig. 3-ib). Como se aprecia también en las figuras 3-lb y c, la presión en la cara externa de la pared de barlovento es positiva, mientras que la que actúa en la de sotavento es negativa (succión). Si las paredes tienen vanos, el viento les impone presiones internas, así como a los entrepisos y al techo. Por tanto, la presión neta en un elemento de un edificio es la suma vectorial de las presiones que actúan en las caras opuestas del elemento.

Debido a las características del viento descritas en el artículo 3.3 y a la dependencia de la presión eólica respecto a la configuración geométrica de un edificio, existe considerable incertidumbre en cuanto a la magnitud, dirección y duración de las cargas máximas del viento que pueden actuar en una porción de un edificio específico. En consecuencia, se plantean infinidad de hipótesis, basadas en cierta medida en resultados estadísticos, a fin de calcular las cargas eólicas de diseño de los edificios. Las especificaciones mínimas para dichas cargas se presentan en los reglamentos de construcción locales y nacionales, así como en la publicación Building Code Requirements for Minimum Design Loads in Buildings and Other Structures, ANSI A58.i, del Americau National Standards Institute.

Usualmente, los reglamentos permiten determinar las cargas eólicas de diseño sobre la base de cálculos matemáticos congruentes con un procedimiento analítico especificado ene! reglamento, o bien por medio de pruebas en túneles de viento. Tales pruebas son aconsejables para estructuras con formas poco comunes, edificios con respuestas raras ante cargas laterales, o construcciones ubicadas en sitios donde cabe esperar efectos de encajónamiento o de formación de ráfagas a consecuencia de obstrucciones existentes en la dirección de barlovento. Las pruebas también son deseables en lugares donde no existen datos sobre vientos o cuando se necesita información más precisa. La norma ANSI A58.1 exige que se cumplan las siguientes condiciones durante la ejecución de pruebas en túneles de viento:

 

  1. Las pruebas se deberán ejecutar sobre un modelo a escala que se ajuste a las dimensiones, distribución de masas, rigidez y amortiguamiento de la estructura propuesta.
  1.  Será necesario reproducir el movimiento del aire de forma que se tome en cuenta la variación de la velocidad con la altura.
  1.  La escala geométrica del modelo no deberá ser mayor que tres veces la componente longitudinal de la turbulencia. Los instrumentos de medición usados deberán tener características de respuesta congruentes con la exactitud necesaria en las mediciones por registrar.
  1.  Se deberá tomar en cuenta la relación entre las fuerzas y presiones y el número de Reynolds para el aire en movimiento.

 En los métodos analíticos especificados en los regla de construcción, las máximas velocidades del viento observadas en una región se convierten en presiones por velocidad. Luego, estos valores se multiplican por varios factores que toman en cuenta las características del edificio, del lugar y del viento, a fin de obtener las cargas eólicas de diseño (proyectadas).

Téngase en cuenta, sin embargo, que en general las especificaciones de los reglamentos son aplicables a presiones considerablemente menores que las presentes durante los tornados, que pueden tener vientos de hasta 950 km/h.

Las presiones por velocidad del viento que se utilizan para el diseño de edificios varían según el tipo de terreno, la altura sobre el nivel del suelo, la importancia del edificio, la posibilidad de huracanes y la velocidad básica del viento registrada en la localidad. Se supone que las presiones por viento actúan horizontal- mente sobre el área del inmueble proyectada sobre un plano vertical perpendicular a la dirección del viento.

La velocidad básica del viento que se utiliza para el diseño es la máxima velocidad del viento registrada a una altura de 10 m por encima de un terreno plano y despejado, con un intervalo medio de recurrencia de 50 años. A menudo se presentan condiciones poco comunes del viento en terrenos escabrosos y alrededor de promontorios cercanos al mar. Las velocidades básicas aplicables a esas regiones se deben seleccionar con la ayuda de meteorólogos y mediante la aplicación del análisis estadístico del valor extremo a los datos de lectura de anemómetros, tomados en el sitio propuesto para el edificio o en las inmediaciones. Otra manera es el uso de mapas generales, como el de la figura 3-2, en el que se muestran las velocidades básicas del viento, en milh, que se registran en Estados Unidos.

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