Determinación coeficientes medios de presión interna en un estadio

Resumen: T-072
UNIVERSIDAD NACIONAL DEL NORDEST E
Comunicaciones Científicas y Tecnológicas 2006
Determinación coeficientes medios de presión interna
en un estadio polideportivo cubierto.
Alvarez y Alvarez, Gisela M. - De Bortoli, Mario E.
Natalini, Mario B. - Natalini, Bruno - Marighetti, Omar
Facultad de Ingeniería, (UNNE)
Av. Las Heras 727. C.P. 3500 – Resistencia – Chaco - Argentina
Tel. 03722 - 439039 E-mail: [email protected]
Antecedentes
Para diseñar una estructura es necesario determinar la presión neta que actúa sobre los componentes de la misma. La
presión neta es la diferencia entre las presiones externa e interna. Gran parte de las investigaciones se centran en el
estudio del valor de la presión externa, sin embargo, cuando una construcción posee aberturas de dimensiones
significativas al exterior los valores de presiones internas pueden ser del mismo orden de magnitud que los de presiones
externas y causar roturas de cristales de ventanas o voladuras de cubiertas. La presión interna no modifica la carga total
debida al viento en una estructura cerrada ya que su efecto se anula al actuar en todas las caras internas de la
edificación. No obstante, afecta la carga neta que actúa en cada componente de la estructura.
Blessmann1 menciona estudios de Irminger y Nøkkentved referidos a este tema que se remontan al año 1930. Debido a
los numerosos accidentes que ocurrían en la época, ellos efectuaron estudios experimentales en modelos de
construcciones cerradas, concluyendo que la voladura de tejados se producía por una disposición desfavorable de
aberturas. Durante la década del 60´ se efectuaron numerosas investigaciones al respecto, entre las que se citan las
realizadas en la Universidad de Melbourne, Australia, referidas a presiones máximas en naves industriales; o las de
D´Have y Newberry que analizan la influencia del porcentaje de aberturas1.
El estudio de presiones internas es particularmente importante en el caso de grandes recintos, como las naves
industriales. El Laboratorio de Aerodinámica de las construcciones de la UFRGS, de Brasil, contribuyó con numerosos
ensayos en túnel de viento de modelos reducidos de galpones industriales, de cubiertas curvas y lucernas de grandes
dimensiones1.
En este trabajo se analizan los resultados de coeficientes de presiones internas obtenidos en un ensayo de un túnel de
viento de un polideportivo y se los comparan con los hallados al aplicar el Reglamento CIRSOC 102.
Materiales y Métodos
La determinación de las presiones internas de diseño se puede hacer mediante un balance de masas de aire que ingresan
o egresan del recinto2, mediante la aplicación reglamento CIRSOC 102 o a través de ensayos sobre modelos reducidos
en túnel de viento. El procedimiento más rápido es el del CIRSOC 102, pero puede conducir a sobreestimaciones
significativas de las cargas sobre estructuras de gran tamaño. Respecto al balance de masas de aire es importante señalar
que para su correcta aplicación es necesario conocer la distribución de las presiones externas sobre todas las paredes del
edificio.
El Proyecto de Reglamento Argentino CIRSOC 1023 establece en el capítulo 6, que los ensayos en túneles de viento se
deben utilizar para los casos que se consideran en el artículo 5.2 en reemplazo de los métodos citados en el Reglamento.
Los casos citados en el artículo 5.2 son: cuando el edificio o estructura no es de forma regular, o posee características de
respuesta que den lugar a cargas transversales de viento, desprendimientos de vórtices, inestabilidad debida a galope o a
flameo.
Este es el caso de un estadio polideportivo con capacidad para 4000 espectadores sentados, que está en construcción en
la ciudad de Formosa. Por sus grandes dimensiones y geometría no convencional, no es adecuada la aplicación directa
del Reglamento CIRSOC 102 para determinar la acción del viento sobre dicha estructura y es necesario recurrir a un
ensayo en túnel de viento. Las condiciones de ensayo para la determinación de fuerzas y presiones medias y fluctuantes
son enumeradas en el artículo 6.2 del Reglamento Argentino.
En el año 2005 el Laboratorio de Aerodinámica de la Facultad de Ingeniería de la UNNE efectuó, a solicitud del estudio
de ingeniería Bernal & Asoc., un estudio para determinar los coeficientes de carga de diseño debidos a la acción del
viento sobre la cubierta de la tribuna del polideportivo.
Para ello se utilizó una simulación de viento natural de espesor parcial, con exponente de la ley potencial de velocidades
medias n = 0,14 y un modelo construido en escala 1:120 (Fig. 1).
En este trabajo se analizan las presiones internas en el estadio para dos situaciones diferentes de permeabilidad. En la
primera el análisis se efectúa en el estadio sin los parasoles montados y con las lucernas abiertas y a continuación con
los parasoles montados y las lucernas abiertas. En ambos casos el estudio se realizó para las dos direcciones de viento
más desfavorables que son las direcciones de 0 grados y 30 grados.
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Para la determinación del coeficiente de presión interna se emplea la expresión (1); donde q es la presión dinámica de
referencia y ∆pi (2) es la diferencia entre presión estática en el punto analizado pA, y la presión estática correspondiente
al flujo no perturbado, pB;
Cpi = ∆pi/q
(1)
∆pi = pB - pA
(2)
Los valores de ∆pi se determinan en ensayos experimentales mediante tomas de presión estática, las cuales se
distribuyen adecuadamente para hallar las presiones que actúan sobre distintas zonas de una estructura.
Los resultados de los ensayos se presentan como curvas de isodesviación de coeficientes de presiones internas para cada
uno de los casos de análisis. En la sección 6 se comparan los resultados experimentales con los obtenidos con el
Proyecto de Reglamento Argentino CIRSOC 1023.
Figura 1. Modelo del estadio polideportivo de Formosa.
Resultados Obtenidos
El primer caso de análisis consistió en la determinación de las presiones internas sin parasoles y con lucernas abiertas.
El ensayo consistió en la toma de presiones estáticas efectivas mediante 47 tomas de presión distribuidas en la mitad de
la superficie de la cubierta. También durante todo el ensayo se midió la presión dinámica de referencia y se calcularon
los coeficientes de presión interna empleando la ecuación (1). El ensayo se efectuó para viento incidiendo a 0 grados y a
30 grados. Con los 2 de coeficientes de presión interna en ambas direcciones se efectuó un promedio ponderado de los
mismos asignando para ello distintas áreas de acción en función de la ubicación de las tomas de presión. Para una
dirección de viento incidiendo a 0º el valor de Cpi resultó igual a -0,07 y para viento incidiendo a 30º se obtuvo un Cpi
de – 0,03.
En el segundo caso de análisis se determinaron las presiones interiores con los parasoles montados en el estadio y las
lucernas abiertas. Una vez montados los parasoles la permeabilidad vendrá dada por las pequeñas aberturas dejadas por
los parasoles que serán instalados en el estadio y por las aberturas de las lucernas.
Los parasoles a instalar en el estadio consisten en chapas de hierro galvanizadas Nº 24 onduladas de 3,05 m de longitud
que posee un radio de curvatura de 8 m que se sujetan mediante una estructura metálica formada por vigas reticuladas y
perfiles de hierro. Justamente, son las vigas reticuladas las que permiten el paso del flujo de aire y hacen a la estructura
permeable.
A partir de las dimensiones de los parasoles se determinó una permeabilidad del 5%, la cual se materializó en el modelo
ensayado. Se procedió de igual manera que en el caso anterior para la determinación de los coeficientes de presión
interna para las dos direcciones de viento analizadas.
Con los coeficientes de presión interna obtenidos se realizaron las curvas de isodesviación de coeficientes de presiones
internas correspondientes a este segundo caso que pueden verse en la Figura 2 para ambas direcciones de viento
incidente. Para la dirección de viento incidiendo a 0º se aprecia una zona dominante con Cpi que varían entre -0,25 y –
0,30; y un sector menor en el cual estos coeficientes oscilan entre –0,30 y -0,35. En cuanto al viento incidiendo a 30º se
observa un predominio de valor de Cpi entre -0,25 y -0,30; con algunas zonas puntuales en que estos coeficientes llegan
a valer -0,32. Se puede apreciar como para ambas direcciones las presiones internas se uniformizaron, verificándose un
valor medio de coeficiente de presión interna de - 0,29 para viento incidiendo a 0º y de –0,28 para viento incidiendo a
30º.
Una vez terminada la obtención experimental de las presiones internas se determinan los coeficientes de presión interna
empleando el Proyecto de Reglamento CIRSOC 1024 y se comparan con los resultados del ensayo.
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De acuerdo a lo definido en el punto 2.2 la permeabilidad o porosidad de una edificación se debe a la existencia de
aberturas en sus caras exteriores y, generalmente, se expresa en términos de la relación entre el área efectiva de
descarga, Ad, y la superficie total, At.
Si se analiza la permeabilidad de la estructura sin los parasoles montados, considerando para ello las aberturas
generadas por las lucernas y el espacio libre por encima de las tribunas en todo el perímetro del estadio; se llega a un
índice de permeabilidad del 34,5 %.
- 0, 1
0
20
0,00
0,00
0,00
-0
,
10
-0,15
-0,10
0,00
-0,10
-0,
0
,1 0
-0 0,0
0,00
0,0
,05 ,10
-0 -0
0,
20
0
0,00
0,00
0,05
0,00
0,1
0,00
-0,
05
0,00
0,05
-0,05
-0,10
5
-0,1
0,00
0
0,0
0
10
-0,
0
0 ,0 0
,2
-0
0,0
0
Figura 2. Coeficientes de presión interna para la estructura sin parasoles; con viento actuando a 0º y a 30º con las
lucernas abiertas.
-0,
-0,28
30
-0,28
-0,28
-0,30
-0,30
-0,28
- 0,
30
-0 ,
30
-0,28
-0,28
-0
-0 ,30
,3
2
-0,
3
0
-0,28
Figura 3. Coeficientes de presión interna para la estructura con los parasoles montados; con viento actuando a 0º y a
30º, con las lucernas abiertas.
Para determinar los valores de coeficientes de presión que se corresponden con las distintas situaciones habrá que
clasificar, en primer lugar, el tipo de cerramiento en cerrado, parcialmente cerrado o abierto. De acuerdo a las
definiciones citadas en el capítulo 2 del Proyecto de Reglamento CIRSOC 1023 el edificio cumple con los requisitos
para ser considerado cerrado. Ciertamente, a priori, resulta difícil comprender porque el estadio a pesar de presentar
importantes aberturas en su perímetro entre dentro de esta clasificación, pero hay que destacar que el espacio libre por
encima de las tribunas es de 4,5 m y la altura total del estadio de 16 m. En estas circunstancias los coeficientes de
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presión a emplear se obtienen de la Tabla 7 del Reglamento y resultan iguales a +/- 0,18. Se ve que los valores
obtenidos a partir de los ensayos son menores a los estipulados en la Norma.
Si se analiza la permeabilidad de la estructura con los parasoles montados, procediendo de manera análoga al caso
anterior, se obtiene un índice de permeabilidad del 6 %. Y si se procede al análisis del tipo de edificio de acuerdo al
CIRSOC 1023 se verá que cumple con los requisitos para ser considerado cerrado. Por ende, los coeficientes que se
obtendrán aplicando este Reglamento serán los mismos que los obtenidos para el estadio sin parasoles montados.
Discusión de los resultados obtenidos
Los resultados obtenidos se resumen en la Tabla 1 para ambas direcciones de viento incidente. Se observa que al
analizar el polideportivo en las dos situaciones de permeabilidad responde a los requerimientos como para considerarse
cerrada, y en consecuencia, si se aplica el reglamento se obtendrán los mismos coeficientes de presión interna,
independientemente, además, de la dirección del viento incidente.
Ensayo en túnel de viento
Caso de análisis
1
2
Ángulo de Incidencia del viento
0º
30º
-0,07
-0,03
-0,29
-0,29
Determinación según
procedimiento del CIRSOC
102.
+ 0,18
+ 0,18
-0,18
-0,18
Tabla 1. Tabla resumen de coeficientes de presión.
Para las condiciones de estudio los valores de Cpi medidos difieren significativamente a los obtenidos mediante el
empleo del Reglamento Argentino. El coeficiente de presión neta se determina mediante la ecuación (3) como la
diferencia entre el coeficiente de presión externa y el coeficiente de presión interna. Mediciones en túnel de viento del
coeficiente de presión externa dieron un valor medio ponderado de aproximadamente -0,40 para viento incidiendo a 0º.
Esto significa que la acción resultante de las presiones externas es una fuerza vertical dirigida hacia arriba. Los
resultados de los experimentos del caso 2, que es la condición de servicio de la estructura, muestran que esta fuerza
vertical es compensada en un 75% por la acción resultante de las presiones internas, que está dirigida hacia abajo. Si se
toma en cambio para el caso 2 el valor de Cpi = 0,18 que recomienda el reglamento, la carga neta es sobrevalorada en un
480%.
Cp = Cpe - Cpi
(3)
Conclusiones
En este trabajo se presentaron resultados de un estudio experimental de presiones internas de un edificio de grandes
dimensiones y se compararon con los valores obtenidos al aplicar el Reglamento argentino CIRSOC 102.
Se observa que al analizar el polideportivo con o sin los parasoles montados la estructura responde en ambas situaciones
a los requerimientos como para considerarse cerrada y por ende, si se aplica el reglamento se obtendrán los mismos
coeficientes de presión interna, lo cual no se da en la realidad, debido que el valor de la presión interna está fuertemente
ligado a la permeabilidad de la estructura. Se demostró también que las diferencias entre los valores de coeficientes de
presión interna determinados en el ensayo y hallados mediante el empleo de la norma, implican un fuerte aumento de
las cargas que solicitarán a la estructura; lo cual se traduce en un aumento de los costos estructurales de la edificación.
Este análisis evidencia la importancia de realizar un estudio detallado de la acción del viento cuando las estructuras son
atípicas y no se encuentran dentro de las establecidas por la normativa, debido a que la falta de precisión en la
valoración de las presiones internas puede tener como consecuencia una mayor inversión económica en la construcción
o riesgos de falla durante su vida útil.
Bibliografía
[1]
[2]
[3]
Blessmann, Joaquim. Pressão Interna, 3ª edição, Ed. Da Univesidade Federal do Rio Grande do Sul, 1991.
N.J. Cook, The designer's guide to wind loading of building structures, Part 2: static structures, Building
Research Establishment report, London (1990).
Proyecto de Reglamento Argentino de Acción del viento sobre las construcciones CIRSOC 102.