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Comparación de cargas de viento
sobre un modelo de edificio prismático
Marighetti, Jorge O. - Morel, Claudia A. - Chapero, Wilfredo M. - Natalini, Mario B.
Instituto de Estabilidad - Facultad de Ingeniería - UNNE.
Av. Las Heras 727 - (3500) Resistencia - Chaco - Argentina.
Tel./Fax: +54 (03722) 425064
E-mail: [email protected]
ANTECEDENTES
El presente trabajo se realizó dentro del marco del curso de post- grado Aerodinámica de las Construcciones dictada en
el Departamento de Estabilidad de la Facultad de Ingeniería de la UNNE, durante el segundo semestre del año 2001. En
aerodinámica de las construcciones, actualmente la determinación de cargas se realiza mediante coeficientes de presión
definidos a partir de valores máximos, mínimos y rms de las fluctuaciones de las mediciones de presión, que para su
aplicación rigurosa requieren considerar escalas de tiempo y duración de ráfagas que dependen del problema específico
que se quiere analizar. En este trabajo se trata de la comparación de los coeficientes de presión exteriores sobre las
caras a barlovento y sotavento, respecto al viento incidente, de un edificio de sección rectangular y de 90 metros de
altura. Los coeficientes de presión fueron obtenidos de un ensayo experimental en túnel de viento [1] sobre un modelo
rígido reducido, calculados del Reglamento Argentino de Vientos, CIRSOC 102 [2] y de la Norma de Vientos
Brasileña, NBR-6123, NB-599 [3] respectivamente.
MATERIALES Y METODOS
Los ensayos se realizaron en el Túnel “J. P. Gorecki”, con una cámara de ensayos de 2.4 m de ancho x 1.8 m de alto x
22.4 m de longitud y una velocidad de viento máxima en vacío de 25 m/s [4]. La simulación de la capa límite
atmosférica en el túnel de viento se basa en los trabajos de Standen [5] para reproducir un terreno suburbano, Categoría
III, según el reglamento argentino y brasilero y una escala de simulación de 1:150. El prototipo del edificio es de h = 90
metros de altura y planta rectangular de a = 30 y b = 15 metros. El modelo rígido reducido, para el ensayo en el túnel de
viento, fue construido en aluminio y madera, con una escala geométrica igual a la de la simulación. En la figura 1 se
muestra el modelo rígido, indicándose la ubicación de las tomas de presión, cinco en la cara a barlovento, tres en la cara
a sotavento, ambas respecto al viento incidente y la posición del modelo con relación al perfil medio del viento
incidente.
Figura 1: Esquema del modelo escala 1:150 y su ubicación con relación al viento incidente
Las presiones se miden en las ocho tomas del modelo utilizando un sistema de medición constituido por transductores
electrónicos Honeywell PC 163, conectadas mediante tubos capilares de PVC de 1,5 mm de diámetro interno, una llave
secuencial Scanivalve y un multímetro digital Keithley 2000. En el ensayo en túnel de viento se adquirieron muestras de
presiones medias en las tomas de la cara a barlovento y sotavento respectivamente, en muestras promediadas de 30
segundos de duración. Los coeficientes de presión media son calculados, con viento incidiendo perpendicularmente a la
la cara mayor del edificio, usando la expresión:
Cp = ∆p /qref,
Donde, ∆p es la diferencia entre la presión estática en el punto de medición (toma de presión) y el punto de referencia y
qref es la presión dinámica medida a la altura máxima del modelo. En la figura 2, se muestra las distribuciones en altura
de los coeficientes de presión en el modelo.
60
0.73
-0.65
48
Altura modelo A ( cm )
Variación del Cp en la cara a
barlovento.
0.74
Variación del Cp en la cara a
sotsvento.
36
0.70
-0.55
24
0.58
12
-0.63
0.41
0.00
0
-0.8
-0.6
-0.4
-0.2
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
Coeficientes Cp
Figura 2: Distribución en altura de los coeficientes de presión sobre el modelo
En el cálculo de los coeficientes de presión media derivadas de las normas de viento CIRSOC 102, Capitulo 5 y la
NBR-6123, Capitulo 4 y 5 se consideró el emplazamiento de la estructura en la ciudad de Resistencia, Chaco. La
categoría de terreno fue del tipo III, terreno suburbano, especificadas en ambas normas[2,3] con el viento incidiendo
perpendicularmente a la cara a barlovento respecto al viento incidente. Finalmente, según las características de la
estructura, se procedió al cálculo de lo coeficientes de presión externos y las acciones, siguiendo los procedimientos de
las normas de viento citadas. En la tabla 1, se resumen dichos procedimientos de cálculo, considerando las
características de la estructura en estudio, con una breve descripción de los mismos.
Tabla 1: Resumen del cálculo efectuado utilizando las normas de viento CIRSOC 102 y NBR 6123.
CIRSOC 102
1°
Velocidad de referencia (β)
Se fija como lugar de emplazamiento de la
construcción la ciudad de Resistencia, Chaco.
=
β 27,2m/s
Velocidad correspondiente al promedio de
velocidades instantáneas sobre intervalos de 3
seg. , en exposición abierta a 10m de altura, y
período de recurrencia 1 año.
NBR-6123 NB-599
Velocidad básica (Vo)
Se tomó el valor de la isohieta más cercana a la
localidad, teniendo en cuenta el mapa indicado
en la norma.
Vo= 50m/s
Máxima velocidad media correspondiente al
promedio de velocidades instantáneas sobre
intervalos de 3 seg. a exposición abierta a 10m
de altura, período de recurrencia 50 años.
Velocidad básica de diseño (V0)
2°
Velocidad característica Vk
S1 = 1 Factor topográfico (terreno plano)
S2 Rugosidad del terreno, dimensiones
V0 = cp . β
del edificio y variable con la altura.
cp = 1,65 Coeficiente de velocidad probable, Categoría III
“Edificios para vivienda, hoteles, oficinas, S3 = 0,95 Factor estadístico ( seguridad
edificios educacionales, etc.”, (Probabilidad requerida y vida útil del edificio, probabilidad
límite de 0,50 y un período de vida de 25 años) de 0,5 para 25 años)
Vk = Vo . S1. S2. S3 = 53,68 m/s
V0 = 1,65 x 27,2 m/s = 44,8 m/s
Presión dinámica (q0)
Presión dinámica básica (q0)
q0 = 0,0613. Vo2 = 123,47kg/m2
q0= 0, 613. Vk2 = 1766,06 N/m2
Presión dinámica de cálculo (qz)
3°
qz = q0 . cz . cd = 131,79kg/m2
cz Variación de presión con la altura
cd Coeficiente de reducción
cd = 0,793
Los valores de los coeficientes de presión exterior, Ce, calculados por las normas Argentina CIRSOC 102, Capitulo 6,
en el que las características del edificio, λa = h/a = 90 / 30 = 3 y b / a = 15/30 = 0,5, resulta en un coeficiente de
forma γ0 = 1,01. Las expresiones para los coeficientes de presión externos a barlovento y sotavento son:
Ce = + 0,8
Ce = -(1,3. γ0 – 0,8) = -0,513
En el caso de la norma Brasileña NBR-6123, Capitulo 6, considerando para una estructura Clase C, dirección de viento
α= 90 º y las relaciones h/b= 3 y a/b= 2, resulta para las caras a barlovento y sotavento respectivamente:
Ce = + 0,8
Ce = - 0,6
Son calculadas además, la acción unitaria para una altura z, wz tal como lo define la norma Argentina y las fuerzas de
viento, F tal como lo define la norma Brasileña. La variación de la presión con la altura, en el primer caso, está
incorporada en el coeficiente cZ en el cálculo de la presión dinámica de cálculo. En el segundo caso, S2 evalúa la
variación de la velocidad con la altura z sobre el nivel del terreno. Ambas expresiones son las siguientes:
wz = Ce . qz
CIRSOC 102
Fe = Ce . q0
NBR-6123
DISCUSION DE RESULTADOS
Los valores de coeficientes de presión exterior, obtenidos en un experimento en túnel de viento y calculados de las
normas de viento Argentina CIRSOC 102 y Brasileña NBR-6123 son presentados en Tabla 2:
Tabla 2: Resumen de los coeficientes de presión exterior, fuerza de arrastre, cz y S2 en función de la altura de las tomas
de presión.
Ensayo
CIRSOC 102
NBR-6123 (NB-599)
pos.
Barlovento
Sotavento
1
2
3
4
5
6
7
8
zmodelo
zprototipo
m
m
0,54
0,42
0,30
0,18
0,06
0,50
0,30
0,10
81
63
45
27
9
75
45
15
C
0,73
0,74
0,70
0,58
0,41
- 0,65 - 0,55 - 0,63 -
W
Ce
2
Kg/m
-
cz
Wz
kg/m
Ce
2
96,21
0,8
1,0502 82,26
97,52
0,8
0,9636 75,48
92,25
0,8
0,853 66,81
76,44
0,8
0,6978 54,66
54,03
0,8
0,446 34,93
85,66 -0,513 1,023 -51,38
72,48 -0,513 0,853 -42,85
83,03 -0,513 0,532 -26,72
S2
Fe
1,1215
1,0945
1,05
0,988
0,868
1,1125
1,05
0,93
kg/m2
139,17
132,55
121,99
108,01
83,36
-102,71
-91,49
-71,77
0,8
0,8
0,8
0,8
0,8
-0,6
-0,6
-0,6
Los coeficientes de presión obtenidos en el túnel de viento, en la cara a barlovento, muestran una reducción en sus
valores conforme se acercan al suelo. Este esperado comportamiento de los valores de los coeficientes, no es evaluado
por ninguna de las dos normas de viento. Ambas, dan un valor constante en la cara expuesta al viento incidente y con
valores más altos. Es también previsto, que los valores de los coeficientes de succión obtenidos en el ensayo, en la cara
a sotavento del edificio, los que son bastante uniformes en toda su altura y con valores similares a las encontradas en
ambas normas.
En tanto las acciones unitarias o fuerzas sobre la cara del edificio, varían notablemente. Los valores obtenidos en los
experimentos en túnel de viento son más conservadores, y uniforme en la cara a sotavento, que el reglamento argentino
CIRSOC 102. Pero, estos están subvaluados respecto a la norma Brasileña NBR-6123.
CONCLUSIONES
Los valores de las cargas o fuerzas unitarias sobre el edificio, obtenidas en el ensayo en túnel de viento y la norma
Brasileña, considerada más actualizada que la norma Argentina, se presentan muy subvaluados. Probablemente, la base
probabilística con que se desarrollan los coeficientes que afectan las variaciones de la velocidad con la altura sobre el
terreno, para el cálculo de esas acciones, sean las causas de estas diferencias. Necesariamente se deben avanzar sobre
estos estudios, a fin de mejorar y unificar los criterios de seguridad entre normas de viento.
BIBLIOGRAFIA
1. “Distribución de Presiones de Viento y Efecto de Escala en Modelos Prismáticos”, Canavesio, O. – Raush, J. –
Cóceres, H. - Di Rado, G. – Wittwer, A. – Marighetti, J. –Natalini, M. “Comunicaciones Científicas y Tecnológicas
1999”, Corrientes, 1999.
2.
“Proyecto de Reglamento CIRSOC 102 – Acción del Viento sobre las Construcciones”, Julio 1980.
3.
“ Forças devidas ao vento em edificaçes” Ediaç ão 1987, NBR-6123(NB-599).
4. Wittwer, A. R., Móller S. V., "Characteristics of the low speed wind tunnel of the UNNE", Jubileum Conference on
Wind Effects on Buildings and Structures, May 25-29, 1998, Gramado RS, Brazil.
5. De Bortoli, M.E., Natalini B., Paluch, M. J. ."Simulaciones de espesor total de capa limite atmosférica
neutralmente estable por los métodos de Counihan y Standen", Memorias de las XXVIII Jornadas Sulamericanas de
Engenharia Estrutural, 1 al 5 de septiembre de 1997, São Carlos, SP, Brasil, Volumen 4, pp. 1615-1624.