Efecto del viento sobre las estructuras

Abstract

El presente trabajo tiene por finalidad la presentación de una propuesta a la Norma Peruana "Cargas de Viento", que defina los valores característicos de la presión dinámica del viento sobre las edificaciones, para propósitos de diseño estructural. Sabemos que el viento es un fenómeno natural que posee energía cinética debido a la velocidad de la masa del aire en movimiento. Si se interpone un obstáculo en su trayectoria, de modo que el movimiento del aire es detenido o desviado entonces, toda o parte de la energía cinética se transforma en energía potencial de presión. Por lo tanto, cuanto mayor es la velocidad del viento, mayor será la acción sobre dicho obstáculo. Puesto que el ingeniero estructural desea conocer el mayor efecto qué pueda ocurrir durante el tiempo de vida útil de 1a estructura, necesitará saber cuál es la velocidad máxima del viento que podrá presentarse en dicho período. La velocidad máxima del viento es obtenida gracias a la Meteorología, por medio de los registros de datos de velocidades de vientos. Sin embargo, estos registros son realizados antes de la construcción de la estructura, requiriéndose la proyección de dichos datos. Feto so consigue mediante la ayuda de la Estadística de Extremos y con adecuados modelos de comportamiento probabilístico de alguna forma estas velocidades mismas. Así, con factores de seguridad adecuados, se hallarán las llamadas Velocidades Básicas del Viento de Diseño para un período de ocurrencia previamente aceptado. Suponiendo que la velocidad básica del viento es conocida, será importante conocer también la magnitud de la presión del viento sobre un cuerpo de forma determinada, ya que esta presión depende del tamaño y configuración de la estructura. Este problema aerodinámico es resuelto por medio de la contribución de los llamados Factores de Forma o Coeficientes de Presión (Cp), que son números abstractos adecuados para cada tipo de estructura. La determinación de fuerzas de viento sobre una estructura es básicamente un problema dinámico; sin embargo, en la práctica, ha sido usual tratar estas fuerzas como cargas estáticas. Esta aproximación es satisfactoria si se prevé que la relación entre el tiempo de variación del viento y la frecuencia natural de la estructura es tal como para causar una respuesta esencialmente estética. Aunque este planteamiento estático de diseño rinde generalmente buenos resultados en cuanto a la resistencia de las estructuras, puede no ser satisfactorio para edificios altos, especialmente en lo que se refiere a la comodidad de los ocupantes y a los movimientos horizontales o desplazamientos relativos entre pisos, los cuales pueden ocasionar, en algunos casos, agrietamientos de los muros divisorios y roturas de los a ventanales. La comodidad de los ocupantes está relacionada con la frecuencia y la amplitud de las vibraciones que, a su vez, dependen de la frecuencia natural del propio edificio y de las frecuencias de las ráfagas de viento, más que de la presión constante del viento. En nuestro medio no se producen a menudo vientos de gran magnitud; por otro lado, las estructuras de concreto poseen gran masa y, en tanto el empuje del viento es una hipótesis alternativa de diseño contra la fuerza del sismo, por lo general esta última es considerada como la hipótesis más desfavorable. Debido a esto, los ingenieros estructurales no se han preocupado por un estudio más agudo sobre el régimen de vientos ni por la respuesta de la estructura a esta solicitación. Un avance importante sobre el estudio del viento en nuestro país se encuentra en el trabajo Distribución de Vientos Extremos en el Perú 1%, donde aparece el régimen de vientos máximos en gran parte del territorio nacional, dándose velocidades básicas de viento para las zonas de la costa y sierra, con periodos de ocurrencia de 33, 50 y 100 años, representadas debidamente en los llamados Mapas Eólicos. En Estados Unidos, la American Society of Civil Engineers (ASCEJ [2], en sus reportes finales tiene recopilada información sobre los factores que determinan las fuerzas de viento en las estructuras, recomendando velocidades básicas de viento para diseño a diferentes alturas sobre el suelo en áreas interiores y áreas costeras de los Estados Unidos, tomando como base un mapa con velocidades extremas para un periodo de recurrencia de 50 años. Asimismo, el Uniform Building Code [3] especifica presiones de viento diferentes alturas sobre el suelo, de acuerdo con ciertas ¿rea? del mapa de Estados Unidos, donde se encuentran graficadas las presiones mínimas permisibles para cada zona en particular. En el presente trabajo se ha tenido en cuenta las velocidades extremas de viento para las zonas de la costa y sierra del Perú, dadas en Distribución de Vientos Extremos en el Perú; también se emplea el mismo método de análisis para la determinación de velocidades básicas de viento de diseño. Se han completado los mapas eólicos con los registros de velocidades máximas de viento, para la zona de la selva y algunas localidades de la sierra, que fueron obtenidos del Servicio Nacional de Meteorología e Hidrología del Perú (SENAMHI). Los coeficientes de presión, importantes en el cálculo de las acciones de viento sobre las estructuras, fueron recopilados de diversas normas de construcciones de otros países y se presentan en la norma propuesta.