peligro por viento en mÉxico y efectos … · peligro por viento en mÉxico y efectos estÁticos...
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Instituto de Investigaciones EléctricasSociedad Mexicana de Ingeniería Estructural
DISEDISEÑÑO EO EÓÓLICO DE ESTRUCTURASLICO DE ESTRUCTURAS
Dr. Alberto López López
PELIGRO POR VIENTO EN MPELIGRO POR VIENTO EN MÉÉXICO Y XICO Y EFECTOS ESTEFECTOS ESTÁÁTICOS DE ESTRUCTURASTICOS DE ESTRUCTURAS
Presentar el peligro por viento en México y los criterios para el diseño estático de estructuras
contra la acción del viento con base en el MDOC-Diseño por Viento
OBJETIVOOBJETIVO
ÍÍNDICE (Parte 1)NDICE (Parte 1)
• Introducción
• Clasificación de las estructuras según su importancia y su respuesta
• Efectos del viento que deben considerarse
• Procedimientos para determinar las acciones por viento
• Determinación de la velocidad de diseño
• Categorías de terrenos y clases de estructuras
• Velocidad regional. Mapas de isotacas
• Factor de topografía
• Factor de exposición
• Factor de rugosidad y altura
• Factor de tamaño
• Velocidades óptimas regionales
ÍÍNDICE (Parte 1)NDICE (Parte 1)
FENFENÓÓMENOS QUE MENOS QUE GENERAN AL VIENTOGENERAN AL VIENTO
INTRODUCCIÓN
La “torre de los vientos” de más de 2000 años de edad que se halla al pie de la Acrópolis en Atenas, asigna diferentes dioses del viento a cada uno de los ocho puntos cardinales.
El Dios más temido era “Boreas”, muy frío y tormentoso, que soplaba del norte.
Efecto de la variación de la temperatura con la altura sobre el nivel del mar
Ejemplo de experimento para demostrar la circulación de la atmósfera como resultado de variaciones de la temperatura.
Si las columnas de aire se representan como columnas sobre el ecuador y sobre los polos, se tiene entonces el
proceso de circulación de la atmósfera en la tierra.
La rotación de la tierra genera sobre las partículas de aire efectos centrífugos que inducen movimiento.
Falla del puente Tacoma en los E.U.A.
• Huracanes (Ciclones tropicales)
• Tormentas (vientos normales en una localidad)
• Tornados
• “Downburst”
Tipos de tormentas que Tipos de tormentas que generan al vientogeneran al viento
Trayectorias de desplazamiento y frecuencia de ciclones en el mundoFuente:
Munich Reinsurance Company, 1990
Mapa mundial del peligro de vientos huracanadosMapa mundial del peligro de vientos huracanados
Vientos fuertes en MVientos fuertes en Mééxicoxico
INSTRUMENTOS PARA INSTRUMENTOS PARA LA MEDICILA MEDICIÓÓN DE LA N DE LA
VELOCIDAD DEL VIENTOVELOCIDAD DEL VIENTO
AnemAnemóómetros de presimetros de presióónn
AnemAnemóómetros de rotacimetros de rotacióónn
AnemAnemóómetros de medicimetros de medicióón de rn de rááfagasfagas
Tipos de registrosTipos de registros
EFECTO DEL LAPSO DE EFECTO DEL LAPSO DE PROMEDIACIPROMEDIACIÓÓN Y N Y
FACTOR DE RFACTOR DE RÁÁFAGAFAGA
Gráfica para convertir velocidades de 10 minutos a 3 segundos
CLASIFICACICLASIFICACIÓÓN DE LAS N DE LAS ESTRUCTURASESTRUCTURAS
GRUPO A PR = 200 Años Grado de seguridad elevado Minimizar pérdidas de vidas y económicas Peligro significativo Importancia por su funcionamiento
GRUPO B PR = 50 Años Grado de seguridad medio Pérdidas de magnitud intermedia Ponen en peligro a las del Grupo A Su falla no interrumpe procesos
GRUPO C PR = 10 Años Grado de seguridad bajo Recubrimientos si no causan graves daños Estructuras temporales
ClasificaciClasificacióón segn segúún la importancian la importancia
TIPO 1 Empujes mediosPoco sensibles a ráfagas y efectosdinámicosH/b < 5.0T < 1 seg
TIPO 2 Emp. Dinámicos en dir. delvientoSensibles a ráfagas de corta duraciónH/b > 5.0T > 1 seg
ClasificaciClasificacióón segn segúún la respuestan la respuesta
TIPO 3 Vibraciones transversalesVibraciones transversales por vórtices(est. cilíndricas o prismáticas)
TIPO 4 InestabilidadInestabilidad aeroelástica
ClasificaciClasificacióón segn segúún la respuestan la respuesta
EFECTOS DEL VIENTO QUE EFECTOS DEL VIENTO QUE DEBEN CONSIDERARSEDEBEN CONSIDERARSE
Efectos Efectos longitudinaleslongitudinales
Vibraciones transversales al Vibraciones transversales al flujo de vientoflujo de viento
Vibraciones transversales al Vibraciones transversales al flujo de vientoflujo de viento
PROCEDIMIENTOS PARA PROCEDIMIENTOS PARA DETERMINAR LAS DETERMINAR LAS
ACCIONES POR VIENTOACCIONES POR VIENTO
Respuesta ante carga armRespuesta ante carga armóónicanica
FACTOR DE AMPLIFICACIÓN
0
5
10
0 1
ω/ωn
HRespuesta ante carga armRespuesta ante carga armóónicanica
=
+PRESIÓN DEL VIENTO
-1.5
-1
-0.5
0
0.5
1
1.5
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4
t ( se g)
+PRESIÓN DEL VIENTO
-1.5
-1
-0.5
0
0.5
1
1.5
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4
t ( se g)
… +
PRESIÓN DEL VIENTO
-1.5
-1
-0.5
0
0.5
1
1.5
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4
t ( se g)
Respuesta Respuesta fluctuantefluctuante
Respuesta fluctuanteRespuesta fluctuante
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛ +=
+=
RgR
gRR
R
R
σσ
1
Factor de respuesta dinFactor de respuesta dináámicamica
ωωω
σ dSk
Hpx ))((
)(
02
22 ∫
∞
=
EFECTO DE LA TURBULENCIAEFECTO DE LA TURBULENCIA ENEN ESTRUCTURASESTRUCTURAS
Respuesta fluctuanteRespuesta fluctuante
Respuesta fluctuanteRespuesta fluctuante
Respuesta fluctuanteRespuesta fluctuante
Respuesta fluctuanteRespuesta fluctuante
Respuesta fluctuanteRespuesta fluctuante
MDOCMDOC-- DiseDiseñño por o por
VientoViento
PresiPresióón del viento sobre estructurasn del viento sobre estructuras
2exp2
1 VCCCP dynfigρ=
(ISO 4353, 1997)
VD = FT Fα VR
DeterminaciDeterminacióón de la n de la velocidad de disevelocidad de diseññoo
FACTOR DE TOPOGRAFFACTOR DE TOPOGRAFÍÍAA
Sitios Topografía FTBase de promontorios y faldas de serranías del lado de sotavento. 0.8
ProtegidosValles cerrados. 0.9
NormalesTerreno prácticamente plano, campo abierto, ausencia de cambios topográficos importantes, con pendientes menores que 5%.
1.0
Terrenos inclinados con pendiente entre 5 y 10%, valles abiertos y litorales planos. 1.1
Expuestos Cimas de promontorios, colinas y montañas, terrenos con pendientes mayores que 10%, cañadas cerradas y valles que formen un embudo o cañón, islas.
1.2
Efecto de la topografEfecto de la topografííaa
Efectos topogrEfectos topográáficos ficos localeslocales
PERFILES DE VELOCIDADPERFILES DE VELOCIDAD
VariaciVariacióón de la velocidad con la alturan de la velocidad con la altura
Fα = FC Frz
Factor de exposiciFactor de exposicióón,n, Fα
Factor de rugosidad y altura, Factor de rugosidad y altura, Frz
δ
δδ
δα
α
≥
<<⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
≤⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
zsi1.56)( =
z10siz 1.56)( =
10mzsi10 1.56)( =
rz
rz
rz
F
F
F
δ
δδ
δ
α
α
α
α
α
≥
<<⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
≤⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
zsi1.56*F =
z10siz 1.56*F =
10mzsi10 1.56*F =
C
C
C
F
F
F
Factor de exposiciFactor de exposicióónn
CLASES DE ESTRUCTURAS Y CLASES DE ESTRUCTURAS Y CATEGORCATEGORÍÍAS DE TERRENOSAS DE TERRENOS
Clases de Estructura Fc
A 1.0
B 0.95
C 0.90
Clases de estructura Clases de estructura Factor de tamaFactor de tamañño, o, FcFc
CA
T
.
DESCRIPCION EJEMPLOS LIMITACIONES
1 Terreno abierto, prácticamente plano y sin obstrucciones.
Franjas costeras planas, zonas de pantanos, campos aéreos, pastizales y tierras de cultivo sin setos o bardas alrededor. Superficies nevadas planas.
La longitud mínima de este tipo de terreno en la dirección del viento debe ser 2000m.
2 Terreno plano u
ondulado con pocas obstrucciones.
Campos de cultivo o granjas con pocas obstrucciones tales como setos o bardas alrededor, árboles y construcciones dispersas.
Las obstrucciones tienen alturas de 1.5 a 10 m en una longitud mínima de 1500 m.
3 Terreno cubierto por numerosas obstrucciones estrechamente espaciadas.
Áreas urbanas, suburbanas, o cualquier terreno con numerosas obstrucciones estrechamente espaciadas. El tamaño de las construcciones corresponden al de las casas y viviendas.
Las obstrucciones presentan alturas de 3 a 5 m. La longitud mínima de este tipo de terreno en la dirección del viento debe ser de 500 m ó
10 veces la altura de la construcción, la que sea mayor
4 Terreno con numerosas obstrucciones largas, altas y estrechamente espaciadas.
Bosques, centros de grandes ciudades y complejos industriales bien desarrolla-dos.
Por lo menos el 50% de los edificios tiene una altura mayor que 20 m. Las obstrucciones miden de 10 a 30 m de altura. La longitud mínima de este tipo de terreno en la dirección del viento debe ser la mayor de entre 400 m y 10 veces la altura de la construcción.
CategorCategoríías del terrenoas del terreno
CLASE ACategoría de Terreno
1 2 3 4
α 0.099 0.128 0.156 0.170
δ 245 315 390 455
Variables del factor de exposiciVariables del factor de exposicióónn
MAPAS DE ISOTACAS Y MAPAS DE ISOTACAS Y VELOCIDAD REGIONALVELOCIDAD REGIONAL
ESTACIONES ESTACIONES METEOROLMETEOROLÓÓGICAS EN TIERRA GICAS EN TIERRA
Del SMN: 87Nuevas: 8 con respecto a las de 1993Sin información: 19Con información continua: 68De Laguna Verde 1De EUA 4De Belice 1
Estaciones MeteorolEstaciones Meteorolóógicas consideradas para el gicas consideradas para el Estudio de Vientos MEstudio de Vientos Mááximos, 2006ximos, 2006
16 estaciones en costa del Pacífico14 estaciones en costa del Atlántico
Estaciones afectadas por huracanes en las costas del Estaciones afectadas por huracanes en las costas del OcOcééano Pacano Pacíífico y en el Golfo de Mfico y en el Golfo de Mééxico y el Caribexico y el Caribe
NOMBRE: PUERTO PROGRESO
NÚMERO DE OBS: 31023
LATITUD: 21º 30'
LONGITUD: 89° 65'
ALTITUD A NIVEL DE MAR: 8 METROS
Datos de la estaciDatos de la estacióón meteoroln meteorolóógicagica
Tarjeta de Resumen de Vientos Máximos Extremos mensual y anual.
ProgresoProgreso
Número consecutivoNúmero del observatorio
Año de AnálisisMes de Análisis
Día de Análisis
Velocidad Máxima del viento
Número de días del mes -1
Dirección del viento
Base de datos de Vientos mBase de datos de Vientos mááximosximosobtenidos en las oficinas del SMNobtenidos en las oficinas del SMN
α f t
0.15 1.00
N
α f t
0.24 1.05
1981 2006
α f t
0.14 1.00
E
α f t
0.24 1.00
1981 2006
α f t
0.14 1.00
S
α f t
0.22 1.05
1981 2006
α f t
0.15 1.00
W
α f t
0.23 1.00
1981 2006
Fisher Tipo IF(V) = exp{-exp [ -φ
(v-u)]} ; -∞≤
v ≤∞
Fisher tipo IIIF(V) = exp{ -[(w-v)/(w-u)]k } ; v≤w, u<w
WeibullF(V) = 1 - exp{ -[(v-ε)/(u- ε)]k } ; v≥ε
, u>ε
Funciones de distribuciFunciones de distribucióón de extremosn de extremos
Ajuste de valores extremos Ajuste de valores extremos para la estacipara la estacióón Progreso n Progreso
ESTACIONES ESTACIONES METEOROLMETEOROLÓÓGICAS GICAS VIRTUALES EN MARVIRTUALES EN MAR
Malla de puntos en mar y tierra adentro para determinar velocidades por huracanes con el modelo fluido-dinámico.
Archivo tipo, con la información histórica de registros de huracanes desde 1851 a 2005 en las costas del Golfo de México y del Caribe y de 1949 al 2005 en las costas del Océano Pacífico.
Modelo FluidoModelo Fluido--DinDináámico para determinar mico para determinar velocidades por huracanes en Mvelocidades por huracanes en Mééxico xico
Se realiza una reconstrucción histórica de los vientos ciclónicos en ambas costas de México. El modelo caracteriza el campo de vientos ciclónicos considerando principalmente los factores siguientes:
• Presión central mínima del huracán• Velocidad de traslación• Latitud donde transcurre su trayectoria• La cercanía y forma de tierra firme• Balance radial de fuerzas de presión, de inercia y de Coriolis• Radio de vientos máximo del huracán• El gradiente radial de presiones es constante por lo que las
diferencias de variables en la capa límite atmosférica con respecto a alturas gradientes no es significativa
• La orografía cuando el huracán entra tierra adentro
Superposición de los efectos en una estación determinada.
Velocidades estimadas debidas a los huracanes Velocidades estimadas debidas a los huracanes en la costa del Golfo de Men la costa del Golfo de Mééxico y del Caribexico y del Caribe
Velocidades estimadas debidas a los huracanes Velocidades estimadas debidas a los huracanes en la costa del Ocen la costa del Océéano Pacano Pacííficofico
DISEDISEÑÑO O ÓÓPTIMO POR VIENTOPTIMO POR VIENTO
¿Cuál es el mejor periodo de retorno de la velocidad de viento para reducir las pérdidas de un sistema estructural?
Presiones del viento sobre estructurasPresiones del viento sobre estructuras
Costos deConstrucción:
α−+= )vv(CC)v(C 0R0I
γν
+=)v()Q1)(v(C)v(C IP
)v(C)v(C)v(C PIT +=
Pérdidas:
Costo Total:
α−+= )vv(K1C
)v(C0
0
I
Modelo de DiseModelo de Diseñño o ÓÓptimoptimo
0.00
0.05
0.10
0.15
0.20
0.25
0.30
0 0.25 0.5 0.75
Valor de diseño
Cos
tos
Costo inicial
Pérdidasesperadas
Costo total
RepresentaciRepresentacióón grn grááfica del modelo fica del modelo óóptimoptimo
Velocidades del viento seleccionadas como valores Velocidades del viento seleccionadas como valores óóptimos de ptimos de restriccirestriccióón para el problema de optimacin para el problema de optimacióón y para estructuras comunesn y para estructuras comunes
Sitio Velocidad del viento (km/h) Cd. de México 118
Cancún 195 La Paz 163
Sitio Q Nivel de suavizado-02
Nivel de suavizado-05
Nivel de suavizado-10
Cd. de México 10 148 144 142 Cancún 10 248 248 246 La Paz 10 210 212 212
Cd. de México 100 160 156 154 Cancún 100 338 336 336 La Paz 100 268 272 272
Velocidades del viento Velocidades del viento óóptimas calculadas para los sitios de referencia, ptimas calculadas para los sitios de referencia, considerando tres niveles de suavizado sobre los datos de peligrconsiderando tres niveles de suavizado sobre los datos de peligro por o por viento y dos valores de importancia estructural dados por Q = 10viento y dos valores de importancia estructural dados por Q = 10,100,100
Soluciones Soluciones óóptimas para Cancptimas para Cancúúnn
Velocidades Velocidades óóptimas para Q = 10 y nivel de suavizado 2ptimas para Q = 10 y nivel de suavizado 2
Velocidades Velocidades óóptimas para Q = 100 y nivel de suavizado 2ptimas para Q = 100 y nivel de suavizado 2
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• Presión dinámica de base y presión actuante sobre una construcción determinada
• Análisis Estático
• Fuerzas sobre construcciones cerradas
• Coeficientes de presión para distintas construcciones
22a Partea ParteINDICE 2INDICE 2
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2
21 VP ρ=
PRESIPRESIÓÓN DEL VIENTON DEL VIENTO
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• DENSIDAD DEL AIRE
•Altura sobre el nivel del mar
•temperatura
• VELOCIDAD DEL VIENTO
• FORMA DE LA ESTRUCTURA
• DIMENSIONES
• EFECTOS DINÁMICOS
FACTORES QUE AFECTAN LA FACTORES QUE AFECTAN LA PRESIPRESIÓÓN POR EL VIENTON POR EL VIENTO
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200480 Dz G V.= q
2
21 VP ρ=
PRESIPRESIÓÓN DINN DINÁÁMICA DE BASEMICA DE BASE
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τ + 273 0.392 = ΩG
( )( )Catemperatur
Hgmmabarométricpresión°=
=Ωτ
FACTOR DE PRESIFACTOR DE PRESIÓÓN Y TEMPERATURAN Y TEMPERATURA
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Altitud Presión barométrica
(msnm) (mm
de Hg)
0 760
500 720
1000 675
1500 635
2000 600
2500 565
3000 530
3500 495
FACTOR DE PRESIFACTOR DE PRESIÓÓN Y TEMPERATURAN Y TEMPERATURA
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PRESIPRESIÓÓN N BAROMBAROMÉÉTRICATRICA
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HHG
288 = ++
PRESIPRESIÓÓN N BAROMBAROMÉÉTRICATRICA
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zpz q = Cp
PRESIPRESIÓÓN ESTN ESTÁÁTICA DEL VIENTOTICA DEL VIENTO SOBRE LAS ESTRUCTURASSOBRE LAS ESTRUCTURAS
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Edificios yConstrucciones
cerradas
Diferentes tipos de estructurasDiferentes tipos de estructuras
Letreros ymuros aislados
Estructurasreticulares
Cubiertas Circulares
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Diferentes tipos de estructurasDiferentes tipos de estructuras
Silos y tanques Torres de celosía
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Chimeneas Tanqueselevados
Torres de Telecomunicaciones Cubiertas flexibles
Diferentes tipos de estructurasDiferentes tipos de estructuras
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Factores de presiFactores de presióónn Cp o o de arrastrede arrastre Ca
Revisar el Manual de Diseño por Viento para estos aspectos
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Cuerpos sCuerpos sóólidos aerodinlidos aerodináámicos y prismmicos y prismááticosticos
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Efectos del flujo del viento sobre obstEfectos del flujo del viento sobre obstááculosculos
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Variación del Cpe como función de diferentes relaciones para edificaciones de sección rectangular, cubierta sin inclinación, y alturas de 50m, 100m y 150m.
Muro de Barlovento
0.50
0.55
0.60
0.65
0.70
0.75
0.80
0.85
0.90
0 1 2 3 4 5 6 7 8
d/b (MDOC, Australian, Japón), H/D (BS), (h/d) EUROCODE, h/W (India), H/D (Canadá), L/B ASCE
Cpe
Británica
MDOC, Australia, ASCE, Japón (coincidentes), Canadá
EUROCODE India
Canadá
ComparaciComparacióón de coeficientes de presin de coeficientes de presióónn