DAOS CAUSADOS POR LA ACCION DEL

VIENTO M.B. Natalini Dto. Estabilidad FACULTAD DE INGENIERIA U.N.N.E.

DAOS CAUSADOS POR LA ACCION DEL VIENTO Las construcciones sometidas a la accin de vientos fuertes pueden sufrir daos totales o parciales. Si bien los cdigos fijan procedimientos de calculo adecuados para protegerlos, siempre existen daos producidos por errores de proyectos o fallas constructivas. Adems, generalmente no se verifican a la accin del viento los edificios menores (viviendas, escuelas tinglados, etc.) y tampoco algunos edificios altos que se estiman suficientemente rgidos. En este ltimo caso, !os ncleos de ascensor o escalera y los muros actan como rigidizadores ante las acciones horizontales 1 - EFECTOS DEL VlENTO Podemos establecer una lista de los efectos ms comunes del viento sobre las construcciones:

Deformabilidad excesiva Prdida de estabilidad Fatiga Rotura de elementos estructurales Rotura de elementos no estructurales Voladura de techos Vibraciones que afectan el confort de los ocupantes Efecto sobre peatones

2 - CAUSAS QUE PRODUCEN ESTOS EFECTOS 2.1

Condiciones climticas velocidad del viento direccin del viento variacin estacional efectos dinmicos por presiones fluctuantes

2.2 Errores de proyecto en eleccin de valores: coeficientes aerodinmicos estimacin de la presin interna

2.3 Choque de objetos

2.4 Errores Constructivos

3 - TIPOLOGIA ESTRUCTURAL

3.1 - Edificios Altos ( High Rise Buildings) Bajo esta denominacin ubicamos aquellos edificios que por su esbeltez requieren un anlisis de la accin del viento. Es difcil establecer un lmite preciso y es funcin del proyectista.

Podemos establecer como valor aproximado, que se consideran altos cuando:

h/d > 5 (h: altura del edificio; d: menor dimensin de la base) En [7] se nombran los primeros estudios que datan de 1930. el problema de las vibraciones en distintos edificios fue analizado por Coyle en 1931 y despus Rathbun en 1940 utilizando pndulos horizontales y verticales ubicados en el Empire State Building en N. York. AI considerar !as acciones horizontales se deben tener en cuenta en el diseo de la estructura diversos elementos resistentes que absorban esos esfuerzos (contraventamientos, tabiques, ncleos, etc. ) La estructura responde ante la accin del viento medio, en cuyo caso se puede considerar una accin esttica, para perodos de vibracin menores a 1 segundo. Para perodos mayores, debemos tener en cuenta la accin dinmica producida por rfagas que determinan oscilaciones importantes. 3.1.1 - Deformaciones excesivas: Este fenmeno influye sobre los elementos no estructurales, que pueden ser afectados por el movimiento (terminaciones, paneles divisorio, etc. ), que debern estar aislados de la estructura por juntas especiales Tambin pueden afectarse los ascensores por distorsiones en el sistema de movimiento. Las rotaciones de la estructura pueden causar problemas en antenas de radio y TV ubicadas en la azotea. Estos momentos tambin afectan a las personas ubicadas en los ltimos pisos de los edificios. Por esa razn, debe limitarse la deformacin. Suponemos un edificio de altura h, existen diversas frmulas empricas. (Fig. 1)

En Francia se utiliza : 1000

hf

Por ejemplo, si h = 100m .10,01000100

mf =

En Inglaterra: esbeltez 10af

a

Por ejemplo si h = 1000m. el valor de a debe ser .1010

10010

mh

a =

La velocidad del viento varia con el tiempo (Fig.2)

El vector V ( )tr, puede ser descompuesto en una velocidad media ( )rV-

- y una

fluctuante que vara con t

( ) ( ) ( )trvrVt,rV ++= La velocidad fluctuante puede ser descompuesta segn los 3 ejes

( ) ( ) ( ) ( )trvtrvtrvtrv yx ,,,, ++=

Generalmente se utiliza en los ensayos en el tnel la componente horizontal segn la direccin del viento, que sera ( )trxV , y hacemos una representacin escalar (Fig. 4) en ejes tx, . Vemos que en un plano actan la velocidad media y la fluctuante.

xvVVx +=

=t

o

VxdtT

xV1

( )rV-

- ( )trv ,

( )trxV , La Velocidad media corresponde a un tiempo T que fijamos. Esto sucede en sentido longitudinal y es una representacin grafica que obtenemos en un anemmetro. Analicemos un edificio empotrado en el suelo sometido a la accin del Viento (Fig. 5)

La velocidad media provoca una presin que a su vez ocasiona una deformacin esttica ( )estf La velocidad fluctuante origina una deformacin dinmica ( )dinfD . (Fig.9) D: coeficiente dinmico de mayor accin que tiene en cuenta los efectos de choque y repeticin.

( )dinF .D es la causante de perturbaciones psquicas.

La flecha total ser: dindindinest fDffDfF .67,0. +=+=

Se supone que DF

fff

dindin

est

+===

67,067,0

6,04,0

Si comparamos una vibracin no amortiguada con una amortiguada y suponiendo a

que es sinusoidal. llamamos AA

2

1log=D : decrecimiento logartmico del

amortiguamiento (Fig. 7)

Vibracin no amortiguada Vibracin no amortiguada

12

1 =AA 0.

2

1 ==DAALog 0

2

1 AA 0.

2

1 =DAALog

El mtodo de SCHLAICH [ ]6 considera que q din = 0,67 q est desarrolla un grafico donde se determina D en funcin de T y D (Fig.8)

Los valores de D se obtienen de las construcciones. Por ej.

Torre de TV de Stuttgart D :1 = 0,52 Torre de TV de Londres D = 0,040 Con valores de D y fdin vamos al grafico y verificamos en funcin de T en que zona estamos.

Ejemplo : T = 6 seg. .54,7267,0

2067,0

cmD

Ff din =+

=+

=

H= 180 F= 20 cm. D = 0,06 Buscamos en el grafico de Schlaich para D = 0,06 ; D = 2 D. fdin = 2 . 7,54 = 15,08 cm. Existe un baco creado por FU-KUEI-CHANG donde figura el grado de confort en funcin de la frecuencia de vibracin de la estructura y la amplitud de oscilacin (Fig. 9)

En el baco de Fu Kuei Chang observamos que estamos en la zona c (desagradable). Son valores bastantes diferentes y es difcil la eleccin. Aconseja D usar menores que 0,15 El CIRSOC 102-1 [8] (Tabla I) considera efectos dinmicos. Edificios con estructura de hormign armado, con tabiques o divisorias mampostera de ladrillo. Construcciones de mampostera: 0,020 Edificios con estructura de acero soldado y divisiones de paneles livianos: 0,010. Torres, chimeneas y antenas de acero soldado: 0,005 Estructuras de madera: 0,030

D Crece con x (amplitud) y detiene la deformacin evitando en algunos casos colapso. Cook [ ]1 da una tabla para diferentes tipos de estructura. Para hormign o acero vara de 0.007 a 0,16 (estados ltimos) segn el tipo de cemento analizado. Es funcin del material, de la forma y la calidad de 1a construccin, de la frecuencia natural y de la amplitud de deflexin del edificio. 3.1.2 - Efectos locales (Rotura de paneles de fachada o ventanas) Davenport cita en caso del Great Plains Life Building en Texas - USA (Foto 1) y del Traveiodge en Australia. El primero, presenta rotura de ventanas y el segundo tambin de paredes exteriores [4] Foto 2. Blessmann da las siguientes causas: - presiones superiores a las previstas - impacto de fragmentos lanzados por el viento - canalizacin del viento por efecto de vecindad - degradacin de la resistencia del vidrio duracin efectiva de !as cargas. - tensiones por dislocamiento estructural Estos accidentes pueden ocurrir bajo efectos de tormentas violentas (tornados, huracanes) pero tambin pueden suceder para velocidades menores. Causas estticas: El flujo de aire alrededor de un edifico puede producir presiones o succiones mayores en determinados puntos que afecten muros o ventanas. Estos casos solamente pueden predecirse mediante ensayo de modelos rgidos en tnel de viento. El efecto de vecindad puede provocar succiones laterales elevadas.

Foto 1 - Dao en vidrios Great Plains Life Building en Texas (1971) USA (Ref. 4)

Foto 2 - Dao en fachada de ladrillo Travelodge - Darwin - Australia 3.1.3 - DAMPING (amortiguamiento) La estructura posee un mecanismo interno mediante el cual disipa energa. Este mecanismo puede no ser suficiente para evitar deformaciones excesivas. - Amplitudes grandes: las juntas (uniones) proveen amortiguamiento adicional friccin. Los tabiques y ventanas contribuyen tambin, pero por l contrario absorben esfuerzos y pueden sufrir daos. Las componentes del amortiguamiento son: - amortiguamiento estructural (incluida friccin interna) - amortiguamiento producido por deformaciones elsticas del subsuelo - amortiguamiento aerodinmico - amortiguamiento por deformacin de elementos estructurales (mecanismos) las deflexiones por efectos dinmicos crean disconfort en los habitantes. Soluciones: Colocar elementos que provoquen mayor amortiguamiento como ser: - tanques de agua - amortiguadores mecnicos (servo sistema hidrulico que controla el movimiento de una masa m, cuyo valor puede ser el 1% de la masa total del edificio) [ ]5 Las vibraciones amortiguadas tiene efecto sobre el movimiento en el plano y el movimiento torsional.

Para reducir la deflexin horizontal de un edificio, pueden usarse aparatos que incrementen el amortiguamiento. Un ejemplo es el amortiguamiento de masa de la MT5 Systems Corp. Instalada en un edificio de Nueva York. (Fig. 12)

3.1.4 - Efecto sonoro El viento que se filtra a travs de las hendiduras angostas o enrejados, pueden provocar sonidos molestos, los de baja frecuencia se producen por la vibracin de componentes estructurales. Los de alta frecuencia por la vibracin de la masa de aire. Puede suceder que cuando la estructura vibra, se produzca simultneamente la vibracin del aire. 3.1.5 - Prdida de estabilidad dinmica Se puede asimilar, en general, un edificio a un cuerpo prismtico rectangular, en el cual se producen los siguientes fenmenos; 3.1.5.1 Vibraciones transversales Para estructuras esbeltas, puede suceder que a velocidades bajas, se produzcan esfuerzos transversales a la direccin del viento Analicemos un cilindro de eje vertical sobre el cual acta una fuerza Fa provocada por la accin del viento que denominamos fuerza de arrastre En (Fig.12) representamos en un sistema de coordenadas x-y, la variacin de Fa al aumentar la velocidad de viento. Obtenemos una curva parablica que crece constantemente. FIN PARTE 1