EL VIENTO El viento es el desplazamiento horizontal de las masas de aire, causado por las diferencias de presión atmosférica, atribuidas a la variación de temperatura sobre las diversas partes de la superficie terrestre. Es decir, las distintas temperaturas existentes en la Tierra y en la atmósfera, por la desigual distribución del calentamiento solar y las diferentes propiedades térmicas de las superficies terrestres y oceánicas, producen corrientes de aire. Las masas de aire más caliente tienden a subir y en su lugar se ubican masas de aire más denso y frío. Además al viento se le puede considerar como un vector definido por magnitud, intensidad y dirección. ORIGEN DEL VIENTO La causa de los vientos está en los movimientos de rotación y de traslación terrestres que dan origen, a su vez, a diferencias considerables en la radiación solar, principalmente de onda larga (infrarroja o térmica), que es absorbida de manera indirecta por la atmósfera, de acuerdo con la propiedad diatérmica del aire, según la cual la radiación solar sólo calienta indirectamente a la atmósfera ya que los rayos solares pueden atravesar la atmósfera sin calentarla. Son los rayos de calor (infrarrojos) reflejados por la superficie terrestre y acuática de la Tierra los que sí logran calentar el aire en la capa de la atmósfera inmediatamente en contacto con el suelo o con dicha superficie acuática. Las masas de aire más caliente tienden a ascender, y su lugar es ocupado entonces por las masas de aire circundante, más frío y, por tanto, más denso. En la atmósfera libre, las corrientes del aire pueden tener una dirección cualquiera que se descompone en un componente vertical de ascenso o descenso y otra horizontal. La dirección es designada por el rumbo del cual viene el viento y no por aquel al cual se dirige. Así, un viento noreste es un viento que viene del noreste. El viento es un fenómeno meteorológico de gran importancia, ya que es el encargado de transportar las masas de agua en forma de vapor o en forma de nubes (agua en estado líquido), además de que regula las diferencias de temperaturas entre distintos puntos de la superficie terrestre. También puede provocar catástrofes de gran magnitud; especialmente en estructuras que no sean capaces de soportar la fuerza que ejerce. Otras fuerzas que influyen en el viento son la fuerza de gradiente de presión, el efecto Coriolis, las fuerzas de flotabilidad y de fricción; y la configuración del relieve. Cuando entre dos masas de aire adyacentes existe una diferencia de densidad, el aire tiende a fluir desde las regiones de mayor presión a las de menor presión. En un planeta sometido a rotación, este flujo de aire se verá afectado, acelerado, elevado o transformado por el efecto de Coriolis en cualquier parte de la superficie terrestre. El origen principal de estas fuerzas es la energía recibida del sol. Esta energía calienta a la atmosfera y pone en movimiento la máquina atmosférica. El vapor de agua es condensado en el aire y precipitado después. Los procesos que intervienen son complejos, la circulación general de la atmósfera es una consecuencia del calentamiento desigual de la superficie de la Tierra. El resultado es que la energía radiante del sol se transforma en energía cinética del aire en movimiento o viento. LA RADIACIÓN SOLAR La energía calorífica de la radiación solar es la generatriz de todos los procesos meteorológicos y climáticos que se dan en la tierra. Al incidir sobre el planeta, atraviesa el gas atmosférico sin apenas calentarlo; en cambio sí calienta la superficie terrestre que es la que acaba transmitiendo el calor al aire atmosférico en contacto con ella. Así pues, es la tierra la que calienta directamente la atmósfera y no la radiación solar. Esto tiene una importante trascendencia para entender la dinámica de todos los procesos que se dan en meteorología. Sin embargo, no toda la superficie de la tierra recibe por igual la misma energía: los polos son las que menos y las zonas ecuatoriales son las que más. De este modo, la superficie de la tierra no transmite de una forma uniforme el calor al aire que tiene sobre ella. LA TIERRA DEL ECUADOR SE CALIENTA MÁS POR LA ACCIÓN SOLAR QUE LA DE LOS POLOS, DEBIDO A QUE RECIBE MÁS CANTIDAD DE RADIACIÓN POR UNIDAD DE SUPERFICIE. Esto origina que se produzcan intercambios térmicos entre las zonas más calientes y las más frías para restablecer el equilibrio: el aire caliente se desplaza hacia los polos y el aire frío hacia el ecuador. De este modo, las masas de aire nivelan y suavizan el clima en la Tierra y establecen los principios de la circulación general. REGIONES DEPRESIONARIAS Y ANTICICLÓNICAS El aire caliente de la zona ecuatorial se hace más ligero y se eleva. Al ascender, se dirige en altura hacia los polos. A medida que se desplaza hacia el polo sufre la acción de la fuerza de Coriolis, desviándose hacia su derecha en el hemisferio Norte y hacia su izquierda en el hemisferio Sur. Cuando el aire se enfría cae, y una vez en la superficie de la tierra retorna al ecuador absorbido por las bajas presiones que se generan en la zona al ascender el aire caliente. En este trayecto se vuelve a desviar debido a la fuerza de Coriolis, de manera que al llegar a la zona subtropical es ya un viento del Noreste en el hemisferio Norte, y del sureste en el hemisferio Sur. Estos vientos son los denominados alisios. En los polos ocurre lo contrario. El aire frío y pesado se desplaza desde la zona polar a ras de suelo en dirección al ecuador. La fuerza de Coriolis, lo desvía al Noreste en el hemisferio Norte, y al sureste en el hemisferio Sur. Al descender de latitud el aire se calienta y asciende, volviendo al la zona polar por arriba, absorbido por la depresión en altitud que genera el aire. Sobre el polo vuelve a enfriarse descendiendo y se cerrando el ciclo. El ciclo ecuatorial abarca desde el ecuador hasta los 30º de latitud en ambos hemisferios. El polar desde ambos polos hasta los 60º. En las latitudes templadas que quedan entre los 30 y los 60º de latitud se origina otro ciclo. El aire de la zona es más caliente que el polar y más frío que el subtropical. Por ello el aire de la zona tiene tendencia a trasladarse hacia el polo para llenar el vacío dejado por el aire ascendente en los 60 º de latitud; al ser desviados de nuevo por la fuerza de Coriolis adquieren una marcada componente oeste en ambos hemisferios. Son los denominados vientos de los oestes cuyo predominio en la zona templada genera el denominado "cinturón de los oestes". LA ZONAS DEPRESIONARIAS Y ANTICICLÓNICAS SE INTERCALAN CON OTRAS DE VIENTOS DOMINANTES DISTRIBUCIÓN EN LATITUD DE LAS ZONAS DEPRESIONARIAS Y ANTICICLÓNICAS Debido a esta circulación general las zonas de presión atmosférica relativa quedan distribuidos de este modo sobre cada hemisferio de la tierra: 1. Sobre el polo un anticiclón. 2. Una zona de depresiones en torno a los 60º de latitud, a la que se dirigen vientos polares y subtropicales. Una zona de anticiclones sobre los 30º de latitud, que envía vientos de componente oeste (SO en el hemisferio norte y NO en el sur) hacia las regiones templadas y de componente este (NE en el hemisferio norte y SE en el sur) hacia la región ecuatorial. Una zona depresionaria en el cinturón ecuatorial, con vientos en calma pero con fuertes corrientes verticales ascendentes. La denominada zona de convergencia intertropical. 3. 4. Isobaras dominantes el mes de enero Isobaras dominantes el mes de julio LA INFLUENCIA DE LOS CONTINENTES Este equilibrio es el que se produciría si el planeta tuviera una superficie homogénea, pero en realidad hay tierra y agua que se calientan y enfrían de forma distinta. En el hemisferio norte predominan las grandes masas continentales y en el sur el agua, por lo que el modelo de circulación general experimenta variaciones en cada caso. También las masas de tierra y agua se encuentran mezcladas sin uniformidad, por o l que la distribución de las depresiones y los anticiclones no es tampoco homogénea en cada hemisferio. En general, en verano (enero para el hemisferio sur, y julio para el hemisferio norte) la zona anticiclónica de los 30º de latitud tiende a interrumpirse en los continentes debido a su intenso calentamiento debido a alta absorción de la radiación solar de la tierra que genera la aparición de depresiones denominadas térmicas (El aire caliente asciende). Son las depresiones suramericana, sudafricana y australiana en el verano austral, y las centroasiática y Norteamericana, en el boreal. En invierno (enero para el hemisferio norte, y julio para el sur) la zona anticiclónica se refuerza sobre los continentes al enfriarse el aire sobre ellos más que sobre los océanos. El anticiclón es más denso en los continentes del hemisferio norte, donde la extensión de tierra es superior, que en el sur. Son los anticiclones siberiano y Norteamericano. CARACTERÍSTICAS FÍSICAS DE LOS VIENTOS El estudio sistemático de las características del viento es muy importante para: Dimensionar estructuras de edificios como silos, grandes galpones, edificaciones elevadas, estructuras tipo celosía 2D y 3D, etc. Diseñar campos de generación eólica de energía eléctrica. Diseñar protección de márgenes en embalses. La medición de la velocidad y dirección del viento se efectúa con instrumentos registradores llamados anemómetros, que dispone de dos sensores, uno para medir la velocidad y otro para medir la dirección del viento. Las mediciones se registran en anemógrafos. Para que las mediciones sean comparables con las mediciones efectuadas en otros lugares del planeta, las torres con los sensores de velocidad y dirección deben obedecer a normativas estrictas dictadas por la OMM - Organización Meteorológica Mundial. VELOCIDAD DEL VIENTO El instrumento más antiguo para conocer la dirección de los vientos es la veleta que, con la ayuda de la rosa de los vientos, define la procedencia de los vientos, es decir, la dirección desde donde soplan. La manga de viento utilizada en los aeropuertos suele ser bastante grande y visible para poder ser observada desde los aviones tanto en el despegue como, en especial, en el aterrizaje. La velocidad y dirección de los vientos se mide con el anemómetro, que suele registrar dicha dirección y velocidad a lo largo del tiempo. La intensidad del viento se ordena según su velocidad utilizando la escala de Beaufort. Ésta escala se divide en varios tramos según sus efectos y/o daños causados, desde el aire en calma hasta los huracanes de categoría 5 y los tornados. Si es un vector la longitud representa la velocidad del viento. En el caso de las flechas con barbas, la velocidad del viento se representa teniendo en cuenta la escala gráfica siguiente. La barba de menor longitud equivale a 5 nudos, la de mayor longitud 10 nudos y el triángulo 50 nudos; si queremos representar 70 nudos será un triángulo con dos barbas grandes. Las velocidades inferiores a 5 nudos se representan con flechas sin barbas. La unidad del viento en el Sistema Internacional es m/s, sin embargo aún se usan los nudos(kt) y km/h. 1 kt = 1.8 km/h ó 1 kt = 0.5 m/s. En la alta troposfera entre los 5 a 20 km de altura los vientos pueden llegar a ser mayores a 100 nudos (50 m/s) y se le denomina corriente en chorro (Jet Stream). DIRECCION DEL VIENTO La dirección del viento es el punto cardinal desde el que se origina éste y se mide con la veleta. Por ejemplo, el viento del norte viene, obviamente, desde el norte y se dirige hacia el sur. En los aeropuertos se usan las mangas de viento para indicar la dirección del viento y estimar la velocidad a partir del ángulo que forma la manga con el suelo. Las veletas tienen indicadas en la parte inferior las direcciones de los vientos con los puntos cardinales y los puntos intermedios, conformando así lo que se conoce como rosa de los vientos, que se emplean con una brújula en los mecanismos de navegación de las embarcaciones desde hace muchos siglos. LA DIRECCIÓN SE SUELE REFERIR AL PUNTO MÁS PRÓXIMO DE LA ROSA DE LOS VIENTOS QUE CONSTA DE OCHO RUMBOS PRINCIPALES. SE MIDE CON LA VELETA. La dirección del viento se representa en grados de 0 a 360 como se muestra en la siguiente figurra. En esta, 0 grados corresponde al Norte, 90 al Este, 180 al Sur, 270 al Oeste y 360 grados nuevamente al Norte. En la Fig. 4 se ha representado el viento con una dirección de 120 grados (aprox. del sureste), la punta de la flecha indica de donde viene el viento y las barbas como se verá a continuación la magnitud del viento, en este caso 15 nudos. . MEDIDA DEL VIENTO La velocidad del viento se mide con anemómetros, instrumentos conformados por tres o cuatro semiesferas huecas montadas sobre un eje vertical. El anemómetro gira a mayor velocidad cuanto mayor sea la velocidad del viento, y se emplea algún tipo de dispositivo para contar el número de revoluciones y calcular así su velocidad. El tipo más común de anemómetro consiste en tres o cuatro semiesferas unidas a unas varillas cortas conectadas a su vez a un eje vertical en ángulos rectos. El viento, al soplar, empuja las semiesferas y estas hacen girar el eje. El número de vueltas por minuto se traduce en la velocidad del viento con un sistema de engranajes similar al del indicador de velocidad de los vehículos de motor. Figura : Anemómetro Debido a que la resistencia aerodinámica de la cazoleta es diferente entre la parte cóncava y convexa, el viento provoca un momento sobre el eje, que lo hace girar a una determinada velocidad angular. Esta es proporcional a la velocidad del viento, la medida de la velocidad de giro, se puede hacer mediante métodos mecánicos, eléctricos o magnéticos. En los anemómetros con dispositivos eléctricos, el eje es de un generador eléctrico de corriente continua, cuyo voltaje generado es proporcional a la velocidad de rotación y con ello a la del viento. Este voltaje se mide en un voltímetro cuya escala ha sido calibrada a la velocidad del viento. Figura: Generador Eléctrico de un Anemómetro CARGAS DEL VIENTO INFLUENCIA DEL VIENTO. La variable física que mide la intensidad del viento es su velocidad y es la que diariamente utilizan los meteorólogos en sus informaciones del estado del tiempo. Los ingenieros, que calculan estructuras, trabajan con fuerzas, por lo que se hace necesario transformar la velocidad del viento en presiones que originen las fuerzas con las que el viento actúa sobre las estructuras. La velocidad del viento no es constante ni uniforme, sino que fluctúa aun en periodos cortos de tiempo, por lo que dependiendo de la manera y del periodo de tiempo en el cual se realice para su medición dependerá el valor obtenido, disminuyendo en la medida que aumenta dicho tiempo. EFECTOS DEL VIENTO EN EDIFICIOS Mendoza, Zermeño de León, Arroyo y López (2015) declaran “como todo fluido, cuando el viento libre es obstaculizado por un objeto fijo, se desvía para rodearlo. Estos desvíos de flujo producen presiones sobre el objeto, entre otras fuerzas, como se puede observar en la figura 2.8” (p.14). Asimismo, Mendoza, et al. (2015) explican que el flujo del viento golpea el lado del edificio expuesta directamente al viento, lado denominada barlovento el cual ejerce empujes; en el lado opuesto llamada sotavento. En donde estos dos efectos se suman como una fuerza de arrastre sobre el edificio. Debido a la rugosidad de la tierra, la velocidad del viento es variable y presenta turbulencias. Sin embargo, se asume que la edificación asume una posición deformada debido a una velocidad constante y que vibra a partir de esta posición debido a la turbulencia. Cuando el libre flujo del viento se ve obstaculizado por un objeto fijo, tiene que desviarse para rodearlo, por lo cual produce presiones sobre el objeto. Las partículas de aire golpean en la cara expuesta directamente al efecto del viento, cara de barlovento, ejerciendo sobre ella un empuje. En la cara opuesta, de sotavento, las estelas del flujo se separan del objeto provocando una succión. RESPUESTA DE LAS ESTRUCTURAS ANTE LA ACCIÓN DEL VIENTO Cuando el aire en movimiento tropieza con un edificio, se divide en cada lado del obstáculo para unirse después nuevamente al flujo general del aire, la velocidad del aire aumenta y se generan turbulencias Flujo en torno a un obstáculo Flujo del aire en torno a un edificio En la siguiente figura se muestran gráficamente algunas de las formas en que el viento puede hacer fallar a las estructuras. Pueden presentarse efectos más complejos como en las cubiertas y puentes colgantes en lo que las acciones dinámicas predominan. Fallas por viento. PROCEDIMIENTOS DE DISEÑO POR VIENTO El efecto del viento debe analizarse en relación con las fuerzas que se inducen sobre el sistema principal de la estructura y también deben analizarse los efectos locales en elementos estructurales aislados y en elementos no estructurales, tanto en el exterior como en el interior de la construcción. El viento puede actuar en cualquier dirección, debe investigarse cuál es la dirección que produce efectos más desfavorables en la estructura. En edificios regulares y en otras estructuras comunes es suficiente revisar en forma independiente la acción del viento en dos direcciones ortogonales que coinciden con los ejes principales del sistema estructural. En las estructuras comunes será suficiente considerar el efecto estático del viento determinando las presiones o succiones que actúan en dirección perpendicular a la superficie expuesta al viento. Para un edificio de paredes cerradas, la trayectoria de las líneas de flujo del aire se muestra: De ella se deduce que el viento produce un empuje sobre la cara de barlovento y succiones en la cara de sotavento y en el techo. CALCULO DE LA CARGA DE VIENTO La ocurrencia de presiones o succiones debidas al viento en superficies verticales horizontales o inclinadas de una edificación serán consideradas simultáneamente y se supondrán perpendiculares a la superficie sobre la cual actúan. La carga de viento depende de la forma. En el diseño para viento, una estructura no puede ser considerada independiente de su entorno porque la configuración de los edificios cercanos y el terreno natural tiene una influencia substancial en el diseño de cargas PASOS PARA EL CÁLCULO DE CARGAS DE VIENTO SEGÚN LA NORMA E.020 a) CLASIFICACIÓN DE LAS EDIFICACIONES Tipo 1. Edificaciones poco sensibles a las ráfagas y a los efectos dinámicos del viento, tales como edificios de poca altura o esbeltez y edificaciones cerradas con cobertura capaz de soportar las cargas sin variar su geometría. Para este tipo de edificaciones se aplicará lo dispuestoen los Artículos 12 (12.3) y 12 (12.4). Tipo 2. Edificaciones cuya esbeltez las hace sensibles a las ráfagas, tales como tanques elevados y anuncios y en general estructuras con una dimensión corta en la dirección del viento. Para este tipo de edificaciones la carga exterior especificada en el Artículo 12 (12.4) se multiplicará por 1,2. Tipo 3. Edificaciones que representan problemas aerodinámicos especiales tales como domos, arcos, antenas, chimeneas esbeltas y cubiertas colgantes. Para este tipo de edificaciones las presiones de diseño se determinarán a partir de procedimientos de análisis reconocidos en ingeniería, pero no serán menores que las especificadas para el Tipo 1. b) VELOCIDAD DE DISEÑO La velocidad de diseño del viento hasta 10 m de altura será la velocidad máxima adecuada a la zona de ubicación de la edificación pero no menos de 75 Km/h. La velocidad de diseño del viento en cada altura de la edificación se obtendrá de la siguiente expresión: 𝑉ℎ = 𝑉 ∗ (ℎ/10)𝟎.𝟐𝟐 DONDE: Vh : velocidad de diseño en la altura h en Km/h V : velocidad de diseño hasta 10 m de altura en Km/h h : altura sobre el terreno en metros Mapa Eólico de Perú. Este mapa sirve de guía, para establecer las velocidades de diseño del viento en la zona donde se ubica la estructura, se debe tener en cuenta la variabilidad debida a las condiciones locales (topográficas, climáticas)” (R.N.E. Norma E.020, 2006, p.21). c) CARGA EXTERIOR DE VIENTO La carga exterior (presión o succión) ejercida por el viento se supondrá estática y perpendicular a la superficie sobre la cual actúa. Se calculará mediante la expresión: donde: Ph : Presión o succión del viento a una altura h en Kgf/m2 C : Factor de forma adimensional Vh : Velocidad de diseño a la altura h, en Km/h, definida en el Artículo 12 (12.3) d)CARGA INTERIOR DE VIENTO Para el diseño de los elementos de cierre, incluyendo sus fijaciones y anclajes, que limitan en cualquier dirección el nivel que se analiza, tales como paneles de vidrio, coberturas, alféizares y elementos de cerramiento, se adicionará a las cargas exteriores calculadas según el Artículo 12 (12.4), las cargas interiores (presiones y succiones) calculadas con los factores de forma para presión interior de la siguiente tabla.
