Normativa de Diseño Por Viento
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UNIVERSIDAD TCNICA DE AMBATO
FACULTAD DE INGENIERIA CIVIL Y MECANICA
CENTRO DE ESTUDIOS DE POSGRADO
MAESTRA EN ESTRUCTURAS
SISMO RESISTENTE
Tema:
NORMATIVA DE DISEO POR VIENTO PARA PREVENIR DAOS EN
PORTICOS, GALPONES INDUSTRIALES, SOPORTES DE TUBERIAS Y
ESTRUCTURAS TRIDIMENSIONALES EN CELOSIA PARA EL
ECUADOR
TESIS DE GRADO
Previa a la obtencin del Ttulo de
MAGSTER EN ESTRUCTURAS SISMO - RESISTENTE
Autor: Ing. Alex Bladimir Hurtado Yugcha
Director de Tesis: M.Sc. Ing. Carlos de la Torre D.
AMBATO-ECUADOR
2009
-
ii
Al Consejo de Posgrado de la Universidad Tcnica de Ambato.
El comit de defensa del Trabajo de Investigacin NORMATIVA DE DISEO POR VIETNO PARA PREVENIR DAOS EN PORTICOS, GALPONES INDUSTRIALES, SOPORTES DE TUBERIAS, Y ESTRUCTURAS TRIDIMENSIONALES EN LA CELOSIA PARA EL ECUADOR, presentada por el Seor Maestrante Alex Bladimir Hurtado Yugcha y conformado por: el Ingeniero M.Sc. Luis Bautista, el Ingeniero M.Sc. Israel Alulema y el Ingeniero M.Sc. Ibn Mario; Ingeniero M.Sc. Carlos de la Torre Director de Tesis y presidido por el Ingeniero MSc. Luis Velsquez Medina Director del CEPOS UTA, una vez escuchada la defensa oral y revisado el Trabajo de investigacin de Grado escrita en la cual se ha constatado el cumplimiento de las observaciones realizadas por el Tribunal de Defensa, remite el presente Trabajo de Investigacin para uso y custodia en la biblioteca de la Facultad de Ingeniera Civil y Mecnica. ---------------------------------------------- -------------------------------------- Msc. Ing. Francisco Pazmio M.Sc. Ing. Luis Velasquez PRESIDENTE DEL TRIBUNAL DIRECTOR DE CEPOS UTA --------------------------------------
M. Sc. Ing. Carlos de la Torre Director de Tesis
--------------------------------------
M. Sc. Ing. Luis Bautista Miembro del Tribunal --------------------------------------
M. Sc. Ing. Israel Alulema Miembro del Tribunal -------------------------------------- M.Sc. Ing. Ibn Mario Miembro del Tribunal
-
iii
AUTORA DE LA INVESTIGACIN
La responsabilidad del contenido del Trabajo de Investigacin de Grado, nos
corresponde exclusivamente al Ing. Alex Bladimir Hurtado Yugcha, y al Ingeniero
M.Sc. Carlos de la Torre Director del Trabajo de Investigacin de Grado; y el
patrimonio intelectual de la misma a la Universidad Tcnica de Ambato.
Ing. Alex Hurtado Ing. M.Sc. Carlos de la Torre Autor Director de Tesis
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iv
DEDICATORIA
A mi Madre quien con su amor y
sacrificio me regal el tesoro ms
valioso que son mis estudios. A mi
Padre (+) que desde el cielo me da las
bendiciones para conseguir mis
objetivos trazados.
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v
INDICE GENERAL
AGRADECIMIENTO
A Dios por ser quin me da la fuerza para sonrer ante las
adversidades de la vida y la valenta de decir no a los vicios del
mundo. l es el dueo de mi vida.
A mi madre, mis hermanas y mi esposa que me alentaron para
no desmayar en los momentos difciles.
A la Universidad Tcnica de Ambato, la Facultad de Ingeniera
Civil y Mecnica por brindarme la oportunidad de seguir
superndome.
Al M.Sc. Ing. Carlos de la Torre por ser ms que un maestro un
amigo.
Al Ing. Marcelo Guerra una persona extraordinaria que me
comparti sus sabios conocimientos y su ayuda incondicional.
Un agradecimiento especial al Instituto de Meteorologa e
Hidrologa INAMHI, por la informacin proporcionada para la
realizacin del trabajo de investigacin.
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vi
UNIVERSIDAD TCNICA DE AMBATO
FACULTAD DE INGENIERIA CIVIL Y MECANICA
CENTRO DE ESTUDIOS DE POSGRADO
MAESTRA EN ESTRUCTURAS
SISMO-RESISTENTES
NORMATIVA DE DISEO POR VIENTO PARA PREVENIR DAOS EN
PORTICOS, GALPONES INDUSTRIALES, SOPORTES DE TUBERIAS Y
ESTRUCTURAS TRIDIMENSIONALES EN CELOSIA PARA EL ECUADOR
Autor: Ing. Alex Bladimir Hurtado Yugcha
Director: M.Sc. Ing. Carlos de la Torre
Fecha: Diciembre 2009
RESUMEN
En la presente investigacin se desarrolla una normativa de diseo por viento para
prticos, galpones industriales, soportes de tubera, y estructuras tridimensionales
en celosa, para solucionar los vacios y deficiencias que existe en el diseo
estructural, de esta manera prevenir daos en las estructuras que atenta contra la
integridad material y humana.
La normativa de diseo por viento tendr un anlisis minucioso de los parmetros
que influyen en el clculo de las presiones por viento, tal como la velocidad de
diseo de viento, forma, importancia, categora, topografa de terreno, factores de
afectacin y otros, sta permitir disear las futuras edificaciones con la debida
estimacin de dichas presiones que permitan dar seguridad y funcionalidad a las
estructuras
-
vii
NDICE GENERAL
CONTENIDOS P G I N A S
Cartula.i
Aprobacin......ii
Autora de la Investigacin....iii
Dedicatoria.iv
Agradecimiento...v
Resumen Ejecutivo.vi
Introduccin...1
CAPITULO I
1 EL PROBLEMA
1.1 Tema.3
1.2 P l an t e ami en t o de l P rob lem a . ..3
1.2.1 Contextual izacin..3
1.2.2 Anlisis Crtico..5
1.2.3 Prognosis6
1.2.4 Formulacin del Problema..6
1.2.5 Interrogantes...6
1.2.6 Delimitacin del Objetivo de Investigacin...6
Delimitacin de Contenido.6
Delimitacin Espacial...7
Delimitacin Temporal...7
1.3 Justificacin.7
1.4 Objetivos8
1.4.1 Objetivo General..8
1.4.2 Objetivos Especficos..8
-
viii
CAPITULO II
2 MARCO TERICO
2.1 Antecedentes Investigativos9
2.2 Fundamentacin Terica..12
2.2.1 Sistemas Estructurales.15
2.2.2 Clasificacin de los Sistemas Estructurales..16
2.2.3 Tipos de Estructuras..16
2.2.4 Materiales Estructurales.19
2.2.5 Definicin de Trminos Bsicos .23
2.3 Fundamentacin Legal..24
2.4 Red de Categoras Fundamentales..25
2.5 Hiptesis.......25
2.6 Variables...26
2.6.1. Variable Independiente26
2.6.2. Variable Dependiente26
CAPITULO III
3 METODOLOGA
3.1 Modalidad bsica de la investigacin...27
3.2 Nivel o Tipo de Investigacin..27
3.3 Pob l a c i n y m ue s t r a 28
3.3.1 Poblacin..28
3.3.2 Muestra.28
3.4 Operacionalizacin de Variables28
3.4.1 Variable Independiente.29
3.4.2 Variable Dependiente.30
3.5 Plan de Recoleccin de Informacin31
-
ix
3.6 Plan de Procesamiento de la Informacin31
CAPITULO IV.
4. ANLISIS E INTERPRETACIN DE RESULTADOS
4.1. Anlisis.32
4.2 Interpretacin32
4.2.1 Curva de PEARSON III o Curva Binomial37
4.3. Verificacin de la Hiptesis48
CAPITULO V
5. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
5.1. Conclusiones.49
5.2 Recomendaciones50
CAPITULO VI
6. LA PROPUESTA
6.1 Datos Informativos.51
6.2 Antecedentes de la Propuesta...51
6.3. Justificacin..55
6.4 Objetivos...56
6.4.1 Objetivo General..56
6.4.2 Objetivos Especficos...56
6.5 Anlisis de Factibilidad....56
-
x
6.6 Diseo por Viento.57
6.6.1 Alcance.....57
6.6 2 Requisitos Generales para el Anlisis y Estructuras....58
6.6.3 Clasificacin de las Estructuras segn su Importancia...60
6.6 4 Clasificacin Estructuras segn respuesta la accin del Viento...62
6.6 4.1 Efectos del Viento que deben Considerarse.64
6.6 5 Procedimientos para determinar la Accin del Viento.66
6.6 6 Determinacin de la Velocidad de Diseo VD..68
6.6 6.1 Categoras de terrenos y clases de Estructuras68
6.6 6.2 Mapas de Isotacas Velocidades Regional, VR....75
6.6 6.3 Factor de Exposicin, F........79
6.6 6.3.1 Factor de Tamao Fc... . . . ..79
6.6 6.3.2 Factor de Rugosidad y altura, Frz........80
6.6 6.4 Factor de Topografa FT.........81
6.6 6.5 Cambio de Periodo de Retorno .........84
6.6.7 Presin Dinmica de Base qz........88
6.6.8 Anlisis Esttico...........90
6.6.8.1 Limitaciones...............90
6.6.8.2 Presiones y Fuerzas debidas a la Accin del Viento...91
6.6.8.2.1 Empujes Medios...................91
6.6.8.2.1.1 Descripcin..................91
6.6.8.2.2 Fuerzas sobre Construcciones Cerradas........91
6.6.8.2.2.1 Presiones Exteriores.........92
6.6.8.2.2.2 Presiones Interiores........100
6.6.8.2.3 Construcciones Techos Horizontales Extremos Inclinados...104
6.6.8.2.4 Construcciones con techos de claros mltiples (r
-
xi
6.6.8.2.11 Fuerzas en miembros Estructurales Aislados...126
6.6.8.2.11.1 Marcos Abiertos Aislados...127
6.6.8.2.11.2 Marcos Abiertos Mltiples...128
6.6.8.2.11.3 Torres de Celosa Aisladas.....129
6.6.8.2.12 Chimeneas y Torres..........131
6.6.9 Anlisis Dinmico...134
6.6.9.1 Limitaciones...134
6.6.9.2 Determinacin de la Velocidad de Diseo, VD......134
6.6.9.3 Presiones Fuerzas sobre Estructuras Sensibles a Dinmicos.135
6.6.9.3.1 Presiones en la Direccin del Viento..............135
6.6.9.3.2 Fuerzas en la Direccin del Viento..............136
6.6.9.3.3 Factor de respuesta Dinmica debida a Rfaga..............137
6.6.9.3.4 Fuerzas Perpendiculares a la Accin del Viento........140
6.6.9.3.5 Direccin Transversal Techos y Toldos en Voladizo......149
6.6.9.3.6 Coeficientes de Arrastre y de Presin..............150
6.6.9.4 Inestabilidad Aeroelstica..............151
6.6.10 Ejercicios de Aplicacin...........159
6.6.10.1 Ejercicios N1...........159
6.6.10.2 Ejercicios N2...........160
6.6.10.3 Ejercicios N3...........163
6.6.10.4 Conclusin..........177
6.6.10.5 Recomendaciones...........178
6.7 Plan de Accin..............179
6.8 Administracin...............180
6.9 Previsin de la Evaluacin.................180
6.10 Bibliografa.181
6.11 Anexos.182
-
xii
NDICE DE CUADROS
Cuadro N 1 Valores Cd para clculo de presin del Viento10
Cuadro N 2 Normativa de Diseo por Viento..29
Cuadro N 3 Prticos, Galpones, Tridimensionales en Celosa30
Cuadro N 4 Plan de Accin179
Cuadro N 4 Plan de Monitoreo y Evaluacin de la Propuesta...180
NDICE DE GRFICOS
Figura N 1 Mapa Ubicacin Estacin Meteorolgica del Ecuador....34
Figura N 2 Curva Binomial.37
Figura N 3 Curva de Velocidades Mximas Versus Probabilidades..40
Figura N 4 Curva de Velocidades Estacin Inguincho...44
Figura N 5 Curva de Velocidades Estacin La Tola...47
Figura N I.1 Diagrama Flujo Procedimiento Cargas del Viento.67
Figura N I.2 Velocidades Regionales 200 Aos......76
Figura N I.3 Velocidades Regionales 50 Aos........77
Figura N I.4 Velocidades Regionales 10 Aos.....78
Figura N I.5 Velocidades Regionales de Excedencia p (%)..85
Figura N I.6 Velocidades Regionales 100 Aos...86
Figura N I.7 Velocidades Regionales 1000 Aos......87
Figura N I.8 Parmetros de Construcciones con Planta Cerrada.94
Figura N I.9 Zonas en Muros Laterales.....97
Figura N I.10 Factores de presin Local Kl, Recubrimientos....101
Figura N I.11 Techos Horizontales con Extremos Inclinados....105
Figura N I.12 Techos con Claros Mltiples....106
Figura N I.13 a Cubiertas de Arco Circular...109
Figura N I.13 b Cubiertas de Arco Circular Paralelo a las Generatrices..109
-
xiii
Figura N I.13 c Coeficiente Presin Exterior Cubiertas Arco Circular...110
Figura N I.13 d Coeficiente de Presin Local CPi.112
Figura N I.14 Techos Aislados..114
Figura N I.15 Factores de Presin Local Kl para Techos Aislados...118
Figura N I.16 Coeficiente de Presin Neta Cpn..119
Figura N I.17 Letreros y Muros Aislados....121
Figura N I.18 Letreros...123
Figura N I.19 Techos Silos y Tanques Cilndricos (0.25hc/b4.0)....125 Figura N I.20 Parmetros Factor de Respuesta Dinmica....141
Figura N I.21 Ovalizacin de la Seccin Transversal.......142
Figura N I.22 Disposicin de Barras o spoilers....148
Figura N I.23 Techos y Toldos en Voladizo.....150
Figura N I.24 Viento con un Angulo de Tanque ....153 Figura N I.25 Tres casos Bsicos Coeficientes Transversales......156
Figura N I.26 Diagrama de Inestabilidad Aeroelstica de Estructuras..158
Figura N I.C.1 Cambios en la Rugosidad del Terreno..................................71
Figura N I.C.2 Diagrama de Flujo corregir el factor de Exposicin.............74
Figura N I.C.3 Factor de Topografa ...............83
Figura N E.1 Ejercicio N1 Direccin del Viento....159
Figura N E.2 Ejercicio N2 Direccin del Viento161
Figura N E.3 Elevacin Frontal Posterior.164
Figura N E.3.1 Elevacin Frontal Posterior 1 y 5165
Figura N E.3.2 Areas Tributarias Estructura Principal..166
Figura N E.3.3 Presiones de Diseo172
Figura N E.3.4 Presiones de Diseo Prticos A y G...176
-
xiv
NDICE DE TABLAS
Tabla N 1 Escala de Beaufort....14
Tabla N 2 Ubicacin de Estaciones de Medicin33
Tabla N 3 Velocidades de Viento Querochaca36
Tabla N 4 Probabilidades en Porcentajes ()38
Tabla N 5 Clculo Estadstico Mtodo PEARSON III..39
Tabla N 6 Resultados de las Velocidades Mximas40
Tabla N 7 Estacin Inguincho42
Tabla N 8 Clculo Estacin Inguincho43
Tabla N 9 Resultados Estacin Inguincho..44
Tabla N 10 Estacin La Tola...45
Tabla N 11 Clculos Estacin La Tola..46
Tabla N 12 Resultados Estacin La Tola.47
Tabla N I.1 Categora del Terreno segn su Rugosidad69
Tabla N I.2 Estructura segn su Tamao.75
Tabla N I.3 Factor de Tamao, Fc80
Tabla N I.4 Valores de y ..81 Tabla N I.5 Resultados de Topografa Local FT..82
Tabla N I.5.1 Valores de Parmetros Topogrficos...83
Tabla N I.6 Probabilidades de Excedencia,(%).84
Tabla N I.7 Relacin entre Altitud y Presin Baromtrica.89
Tabla N I.8 Coeficiente de Presin Exterior Cpe Muros en Barlovento...95
Tabla N I.9 Coeficiente de Presin Exterior Muros Laterales..95
Tabla N I.10 Coeficiente de Presin Exterior Techos de Construccin.96
Tabla N I.11 Factor de Reduccin, KA, Techos u Muros Laterales97
Tabla N I.12 Factor de Presin Local KL, Recubrimiento y Soportes99
Tabla N I.13 a Coeficiente Presin Interior Cpi, Muros Permeables...102
Tabla N I.13 b Coeficiente Presin Interior Superficies con Aberturas104
Tabla N I.14 Coeficiente Presin Exterior, Techos dos Aguas107
Tabla N I.15 Coeficiente Presin Exterior, Techos Forma Sierra107
-
xv
Tabla N I.16 a Coeficiente de Presin Exterior Cubiertas Arco Circular...110
Tabla N I.16 b Coeficiente Presin Interior Cubiertas de Arco Circular113
Tabla N I.17 a Coeficiente Presin Techos Aislados 0.25 / .115 Tabla N I.17 b Coeficiente Presin , , H/d
-
xvi
Anexo N 7 Estacin Nuevo Rocafuerte....189
Anexo N 8 Estacin Puyo 190
Anexo N 9 Estacin La Victoria INHERI..191
Anexo N 10 Estacin La Concordia....192
Anexo N 11 Estacin Baos....193
Anexo N 12 Estacin Simn Bolvar.194
Anexo N 13 Estacin Caar....195
Anexo N 14 Estacin La Argelia Loja.196
Anexo N 15 Estacin Milagro Ingenio Valdez.197
Anexo N 16 Estacin Sangay Santa Ana198
Anexo N 17 Estacin Tena..199
Anexo N 18 Estacin El ngel.200
Anexo N 19 Estacin San Gabriel...201
Anexo N 20 Estacin Otavalo.202
Anexo N 21 Estacin Cotopaxi.203
Anexo N 22 Estacin Patate.204
Anexo N 23 Estacin Chillanes.205
Anexo N 24 Estacin Guamote.206
Anexo N 25 Estacin Pachamama - Tixn..207
Anexo N 26 Estacin Biblian.208
Anexo N 27 Estacin Paute.209
Anexo N 28 Estacin Cariamanga.210
Anexo N 29 Estacin Muisne.211
Anexo N 30 Estacin Cayapas....212
Anexo N 31 Estacin El Carmen.213
Anexo N 32 Estacin Pedernales - Manab.214
Anexo N 33 Estacin Arenillas.215
Anexo N 34 Estacin Machala -UTM.216
Anexo N 35 Estacin Papallacta.217
Anexo N 36 Estacin Gualaquiza.218
Anexo N 37 Estacin Yanzatza.219
Anexo N 38 Estacin Charles Darwin.220
-
xvii
Anexo N 39 Estacin San Cristbal - Galpagos.221
Anexo N 40 Estacin Querochaca (U.T.A).222
Anexo N 41 Estacin Vinces.223
Anexo N 42 Estacin Tomaln - Tabacundo.224
Anexo N 43 Estacin Guayaquil Estatal.225
Anexo N 44 Velocidades de las ciudades importantes226
Anexo N 45 Factor de Exposicin, 227 Anexo N 46 Factor de Correccin por Densidad Relativa228
Anexo N 47 Factor de Presin Local KL caso tabla I.12 1 y 2a...229
Anexo N 48 Factor de Presin Local KL caso tabla I.12 1 y 4....230
Anexo N 49 Coeficiente de Arrastre Ca..............231
Anexo N 50 Coeficiente de Arrastre Ca..............232
Anexo N 51 Fuerza Longitudinal CFX Prismas Rectangulares.233
Anexo N 52 Fuerza Transversal CFX Prismas Rectangulares......233
Anexo N 53 Longitudinal CFX y CFY Perfiles Estructurales234
Anexo N 54 Clculo Estacin La Tola....235
Anexo N 55 Clculo Estacin Izobamba.236
Anexo N 56 Clculo Estacin Rumipamba Salcedo237
Anexo N 57 Clculo Estacin Portoviejo - UTM.238
Anexo N 58 Clculo Estacin Pichilingue......239
Anexo N 59 Clculo Estacin Rocafuerte...240
Anexo N 60 Clculo Estacin Puyo241
Anexo N 61 Clculo Estacin La Victoria INHERI.242
Anexo N 62 Clculo Estacin La Concordia..243
Anexo N 63 Clculo Estacin Baos....244
Anexo N 64 Clculo Estacin Simn Bolvar245
Anexo N 65 Clculo Estacin Caar....246
Anexo N 66 Clculo Estacin La Argelia Loja.247
Anexo N 67 Clculo Estacin Milagro Ingenio Valdez248
Anexo N 68 Clculo Estacin Sangay Santa Ana249
Anexo N 69 Clculo Estacin Tena.250
Anexo N 70 Clculo Estacin El ngel.251
-
xviii
Anexo N 71 Clculo Estacin San Gabriel...252
Anexo N 72 Clculo Estacin Otavalo253
Anexo N 73 Clculo Estacin Cotopaxi254
Anexo N 74 Clculo Estacin Patate.255
Anexo N 75 Clculo Estacin Chillanes256
Anexo N 76 Clculo Estacin Guamote257
Anexo N 77 Clculo Estacin Pachamama - Tixn..258
Anexo N 78 Clculo Estacin Biblian.259
Anexo N 79 Clculo Estacin Paute.260
Anexo N 80 Clculo Estacin Cariamanga.261
Anexo N 81 Clculo Estacin Muisne.262
Anexo N 82 Clculo Estacin Cayapas....263
Anexo N 83 Clculo Estacin El Carmen264
Anexo N 84 Clculo Estacin Pedernales - Manab265
Anexo N 85 Clculo Estacin Arenillas266
Anexo N 86 Clculo Estacin Machala -UTM267
Anexo N 87 Clculo Estacin Papallacta.268
Anexo N 88 Clculo Estacin Gualaquiza.269
Anexo N 89 Clculo Estacin Yanzatza.270
Anexo N 90 Clculo Estacin Charles Darwin.271
Anexo N 91 Clculo Estacin San Cristbal - Galpagos..272
Anexo N 92 Clculo Estacin Querochaca (U.T.A) 273
Anexo N 93 Clculo Estacin Vinces274
Anexo N 94 Clculo Estacin Guayaquil..275
Anexo N 95 Clculo Estacin Tomaln - Tabacundo276
-
1
INTRODUCCION
La presente investigacin tiene como finalidad crear una normativa del diseo por
viento para prevenir daos en prticos, galpones industriales, soportes de tuberas y
estructuras tridimensionales en celosa para el Ecuador.
Su desarrollo se lo va realizando a lo largo de los diferentes captulos que se
conforma de la siguiente manera: Captulo I se enfoca el problema y se procede a
describir la contextualizacin, anlisis crtico, formulacin del problema,
delimitacin, objetivos y la justificacin. Se identifica cuales son las causas y efectos
de las deficiencias en los en los diseos estructurales por viento, se justifica el porqu
se realiza la investigacin.
En el Captulo II, se desarrolla el marco terico donde se desarrolla varios conceptos
referentes al tema, tambin se cuenta con la fundamentacin legal la misma que hace
hincapi la consideracin de todas las posibles presiones que puede sufrir las
estructuras como lo es el caso de presiones del viento.
El Captulo III tiene como objetivo abordar los procedimientos de la metodologa de
la investigacin, se desarrolla la operacionalizacin de variables
El Captulo IV enfoca el procesamiento de la informacin obtenida, y el anlisis e
interpretacin de resultados. Aqu se obtiene estimaciones de velocidades de viento
regionales y proyectarlas al futuro, las mismas que nos ayudarn a elaborar mapas de
isotacas en la repblica del Ecuador, y de esta manera poder determinar la velocidad
del viento para cualquier punto o localidad del pas, dato que ser el punto de partida
para el clculo de las presiones de viento, y la respectiva aplicacin de la normativa
de diseo por viento.
-
2
En el Captulo V se describe las conclusiones y recomendaciones, constituyen el
aporte y sugerencia personal que permita solucionar el problema.
Finalmente en el Captulo VI, la propuesta, que est constituida por la justificacin,
fundamentacin terica, objetivos, anlisis de factibilidad, y el desarrollo de la
normativa de diseo por viento mediante los procedimientos de clculo, tablas,
cuadros grficas, y flujogramas que permitan el clculo de las presiones de diseo
por viento..
-
3
CAPITULO I
EL PROBLEMA
1.1 TEMA
NORMATIVA DE DISEO POR VIENTO PARA PREVENIR DAOS EN
PORTICOS, GALPONES INDUSTRIALES, SOPORTES DE TUBERIAS, Y
ESTRUCTURAS TRIDIMENSIONALES EN CELOSIA PARA EL ECUADOR
1.2 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
1.2.1 CONTEXTUALIZACION
Desde tiempos inmemorables ciertas reas del globo terrqueo han sido vctimas de
tragedias o sucesos relacionados con la dinmica de la madre naturaleza y en los
ltimos aos tambin se ha incrementado con la negligencia humana al manejar los
avances tecnolgicos o cientficos de manera inadecuada. Estos fenmenos o hechos
son comnmente llamados tragedias o calamidades sin embargo estos reciben un
nombre especfico dentro del acervo cultural como desastres.
Uno de los fenmenos naturales que ha ocasionado un importante nmero de
desastres son los vientos, los mismos que son corrientes de aire que se producen a
partir de una diferencia de la presin atmosfrica. Esta diferencia hace que el aire se
desplace de las zonas de mayor presin a las de menor presin, dndose lugar a la
formacin de tornados y huracanes, los primeros son vientos huracanados que se
producen en forma giratoria a grandes velocidades, mientras que los segundos son
vientos que sobrepasan ms de 24 km/h., como consecuencia de la intraccin del
aire caliente y hmedo que viene del ocano Pacfico con el aire fro.
-
4
El viento ms fuerte que se ha medido con fiabilidad sobre la superficie de la tierra
tuvo una velocidad de 362 km/h y se registr en el monte Washington, en New
Hampshire (Estados Unidos), el 12 de abril de 1934.
Los vientos fuertes que amenazan una poblacin en el mundo entero se les ha
identificando con una denominacin, as podemos nombrar a varios como, el huracn
Katrina, el Huracn Omar, que afecto Norteamrica especialmente Estados Unidos,
El Huracn Paloma que afecto mayormente a Cuba, en Sudamrica se presenci el
Tornado de Barranquilla afectando la ciudad del mismo nombre en el Pas de
Colombia, etc.
Las fuertes presiones que producen los vientos huracanados son capaces de arrasar
con rboles arrancndolos de raz, levantar cubiertas, colapsar estructuras, etc., esto
ha hecho que varios pases del mundo le den importancia a este fenmeno para
contrarrestar el impacto que sufren las edificaciones que son sometidas a estas
presiones, mediante la creacin de normativas de diseo por viento para estructuras
de obras civiles, de esta manera poder controlar los efectos devastadores causados
por la fuerza de este fenmeno natural.
Existen varias normativas o cdigos que consideran el efecto de las presiones de
viento en las edificaciones, entre los ms conocidos podemos nombrar al cdigo
JAPONES, CHINO, INDU, aplicable a los pases orientales, de igual forma otro de
los cdigos vigentes a nivel de los pases europeos es el EUROCODIGO.
En Amrica los pases norteamericanos como Estados Unidos y Mxico han
desarrollado ms la investigacin en torno a este tema, los primeros cuentan con los
cdigos IBC - UBC, y los segundos cuentan con un manual de diseo por viento de
la Comisin Federal de Electricidad CFE. Esta normativa de diseo se ha convertido
en un modelo aplicable a los pases latinoamericanos con sus adaptaciones
respectivas.
En los pases sudamericanos se cuenta con normas de diseo por viento en pases
como Chile con la normativa NCH 432.OF 1971, Argentina del reglamento CIRSOC
-
5
102, Brasil la norma NBR 6123, Per el Reglamento Nacional de Edificaciones y
Colombia con el reglamento NSR 98.
El Ecuador no cuenta con una normativa de diseo por viento, por este motivo se ha
venido realizando los diseos estructurales aplicando normativas de pases cercanos
y en el peor de los casos se ha despreciado las presiones que produce el viento en los
clculos de las estructuras al no contar con un manual, por lo que se hace necesario la
creacin de una normativa de diseo por viento para prevenir daos en prticos,
galpones industriales, soportes de tuberas, y estructuras tridimensionales en celosa.
Esta normativa de diseo por viento para el Ecuador se convierte en una necesidad
primordial para los profesionales del clculo y construccin de obras civiles, pues
diferentes regiones, han sufrido vientos que van desde suaves hasta fuertes a causa de
las alteraciones climticas, la prensa local habla de presencia de vientos huracanados
que han causado varios tipo de prdidas materiales y econmicas adems de la
suspensin de energa elctrica, servicio telefnico y falla en las obras civiles.
1.2.2 ANALISIS CRITICO
Los vientos han tomado fundamental importancia por la alteracin climatolgica en
el planeta entero. En el Ecuador se han presentado vientos huracanados que van de
60 a 80 km/h, hacindose necesario conocer la presin que produce el viento y sus
efectos en las obras civiles de las diferentes zonas del pas.
Debido al desconocimiento de las velocidades del viento en las regiones del Ecuador
y su influencia en el campo de la ingeniera civil, ha hecho que se asuma valores
aproximados que en varios casos no tienen nada que ver con la realidad,
convirtindose en un grave problema en el momento de calcular la presin que ejerce
el viento sobre una construccin.
Una Normativa de Diseo por viento para estructuras civiles sometidas a la accin de
vientos fuertes, servir para evitar en lo posible daos totales o parciales en las
edificaciones, donde se contar con procedimientos de clculos adecuados para
-
6
contrarrestar la presin ejercida por el viento. Para esto es necesario contar con datos
estadsticos de velocidades del viento y los diferentes parmetros que influyen en el
clculo final de presiones.
1.2.3 PROGNOSIS
Es importante considerar las presiones del viento en el diseo estructural de toda
edificacin, pues de no hacerlo estaremos poniendo en riesgo el colapso de la misma,
adems de las prdidas materiales y lo que es peor prdidas humanas.
1.2.4 FORMULACION DEL PROBLEMA
Se evitar los daos en los elementos estructurales de prticos, galpones
industriales, soportes de tubera y estructuras tridimensionales en celosa con la
normativa de diseo por viento en el Ecuador?
1.2.5 INTERROGANTES
Cules seran las zonas de mayor influencia de vientos en el Ecuador?
Qu registros de velocidad del viento se utilizarn para el clculo de la presin del
viento en las diferentes edificaciones?
Qu parmetros sern necesarios considerar para el clculo de la presin del viento?
Cmo se calcular la presin final que produce el viento en los diferentes tipos de
edificaciones?
1.2.6 DELIMITACION DEL OBJETO DE INVESTIGACION
DELIMITACION DE CONTENIDO
El contenido de este trabajo investigativo se basa en realizar la normativa de diseo
por viento para estructuras.
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DELIMITACION ESPACIAL
El presente trabajo investigativo requiere realizar una normativa de diseo por viento
para prticos, galpones industriales, soportes de tuberas y estructuras
tridimensionales en celosa para el Ecuador. Para esto se requiere de la recopilacin
de informacin en el Instituto Nacional de Meteorologa INAMHI., La biblioteca de
La Universidad Tcnica de Ambato y Biblioteca virtual (Internet).
DELIMITACION TEMPORAL
El desarrollo del presente estudio se lo realizar en los meses comprendidos entre
Mayo del 2009 a Diciembre del 2009.
1.3 JUSTIFICACION
En el Ecuador se ha constatado los daos que produce la fuerza de los vientos en
ciertas pocas del ao y en determinadas regiones. De manera especial los daos que
se producen en las edificaciones causan inters en los profesionales y usuarios por
proteger las mismas. Contando con la ayuda de ciertos organismos como el instituto
de Meteorologa INAMHI y otros, encargados de controlar el clima del Ecuador, este
problema puede ser afrontado y controlarlo mediante la creacin de una normativa de
diseo por viento para prevenir daos en prticos, galpones industriales, soportes de
tuberas, y estructuras tridimensionales en celosa.
La normativa de diseo por viento para edificaciones en nuestro pas
lamentablemente no existe, se ha venido diseando las estructuras con parmetros y
coeficientes tomados de cdigos de otros pases que en la realidad no tienen ninguna
relacin, y lo que es peor se ha despreciado el clculo de estas presiones de viento.
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1.4 OBJETIVOS
1.4.1 GENERAL
Desarrollar la normativa de diseo por viento para prevenir daos en prticos,
galpones industriales, soportes de tuberas, y estructuras tridimensionales en celosa
para el Ecuador
1.4.2 ESPECIFICOS
Analizar los registros de velocidad del viento y otros factores atmosfricos
que posee el INAMHI, para establecer la presin que ejerce el viento en las
edificaciones que se realizan en el Ecuador.
Analizar la forma que tienen las edificaciones en el Ecuador para conocer la
influencia de la presin del viento sobre las mismas
Elaborar un cuadro de velocidades de las zonas de mayor influencia de los
vientos en el Ecuador
Determinar las ecuaciones, coeficientes y parmetros para el clculo de la
presin del viento en el Ecuador
Realizar un clculo demostrativo de la influencia de la presin de viento
sobre una estructura.
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CAPITULO II
ESTRUCTURA DEL MARCO TEORICO
2.1. ANTECEDENTES INVESTIGATIVOS
Las edificaciones en el mundo entero han ido evolucionando desde la ms
rudimentaria hasta la ms moderna, gracias al desarrollo tecnolgico y las
investigaciones realizadas han hecho posibles la aparicin de materiales de alta
calidad capaces de resistir cargas permanentes y eventuales que son utilizadas en la
construccin de las estructuras de las edificaciones, entre las principales se tiene:
- Estructuras de Hormign Armado
- Estructuras de Acero
- Estructuras de Madera
- Estructuras Mixtas
Las estructuras de hormign armado por su gran peso tienen poca afectacin en sus
elementos estructurales debido a las presiones de viento, mientras que las dems
estructuras, por su caracterstica liviana tienen variados periodos de vibracin a causa
de la fuerza del viento y por ende daos en los elementos estructurales. Esto ha
hecho que varios pases del mundo le den importancia a la investigacin de este tema
con el nico fin de contrarrestar este grave problema.
Uno de los primeros investigadores Boris Bresler, en su publicacin Diseo de
Estructuras de Acero, tratando de normar el clculo de las presiones de viento sobre
una superficie indica que esta presin depende de la velocidad del viento, de la
superficie, de la forma de esta, de la proteccin proporcionada por otras estructuras y
de la densidad del aire, la cual disminuye con la altitud y temperatura, propone la
siguiente ecuacin.
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dVCqCp dd *21
** 2== 1
Donde: p = Presin sobre una superficies en kg/m2
V = Velocidad del viento en m/s2
d = Densidad del Aire en kg/m3
Cd = Cociente numrico, llamado coeficiente de empuje, y
q = Es la presin dinmica, igual a *V2*d
d = 1.226 Kg./m3 al nivel del mar, y para una velocidad de viento
V en km/h, q = 0.00483*V2, kg/m2
Para la utilizacin de esta ecuacin indica que las velocidades del viento pueden
alcanzar valores de hasta 240 Km/h o mayores, esto equivale a una presin dinmica
q de cerca de 300 kg/m2, una presin tan alta es excepcional y, generalmente se usa
valores entre 100 a 150 kg/m2, para las cargas de viento sobre los edificios (en los
E.U.A.), y propone la siguiente tabla para valores de Cd en funcin de la forma y
tamao.
CUADRO No.1 Cuadro de valores Cd para clculo de presin del viento
FORMA Cd ESTRUCTURA
Placa cuadrada (normal al viento)
Placa angosta y larga (normal al viento)
Cilindros largos (eje vertical)
Cilindros cortos (eje vertical)
Prisma cuadrangular alargado (eje vertical)
Esfera
1.1
2.0
0.8
0.7
1.3
0.2
Anuncios
Trabes
Chimeneas
Tanques
Edificios Altos
Tanques
FUENTE: ESTRUCTURAS DE ACEROS de Boris Bresler
En el pasado se usaron por lo comn dos ecuaciones para tomar en cuenta la
inclinacin de la superficie de contacto de las presiones, la de Newton y la de
Duchemin, pero eran vlidas solo para casos especiales de placas planas y no para
estructuras prismticas. Estudios realizados en tneles de viento, iniciados por Eiffel
en Paris y continuados por varios investigadores, han demostrado que las presiones
1 EC. 12-4 libro Estructuras de Acero de Boris Bresler
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11
de viento en un edificio se caracterizan por las presiones negativas (succiones) que
existen en la mayor parte del techo y en el lado de sotavento del edificio, estas son en
realidad vacos o presiones menores que la atmsfera.
La mayora de los cdigos de construccin de los E.U.A. , proponen un valor bsico
para la fuerza de viento, en libras por pie cuadrado, pero permiten variaciones para
diferentes alturas de edificios, as como para las diferentes formas, por ejemplo:
15 lb./pie2 = 73 kg/m2 .. para edificios de menos de 60 pies de altura,
20 lb./pie2 = 98 kg/m2 .. para edificios de ms de 60 pies de altura,
30 lb./pie2 = 146 kg/m2 .. para tanques y anuncios, por estar ms expuestos al
viento. En tanques circulares se permite reducir el 40%.
Las cargas de viento sobre estructuras abiertas dice que debe calcularse tomando 1.5
veces el rea de stas.
Otra de las investigaciones en este tema es el manual de diseo por viento de la
Comisin Federal de Electricidad CFE de Mxico (1993), el cual desarrolla nuevos
procedimientos de los cuales el ms importante es la obtencin de la velocidad de
diseo en un sitio determinado, tomando en cuenta los parmetros que influyen en el
clculo de su valor, el sitio o regin de desplante, el tamao de construccin o
elemento estructural a disear, y las condiciones de topografa local que puedan
acelerar o desacelerar el flujo del viento.
Este manual ha desarrollado dos mtodos a travs de los cuales se obtienen las
presiones debida al flujo del viento. El primero es el Anlisis Esttico ste aplica al
caso de construcciones suficientemente rgidas y el segundo Anlisis Dinmico para
las flexibles con bajo amortiguamiento. Tambin recomienda un procedimiento para
disear los elementos que forman los recubrimientos de las estructuras.
Una de las normas, reconocidas en Sudamrica es El Reglamento CIRSOC 102
Accin del Viento sobre las Construcciones de Argentina, que proporciona tres
mtodos entre los cuales el proyectista puede elegir. Un mtodo simplificado,
-
12
Mtodo 1, mediante el cual el proyectista puede seleccionar las presiones de viento
directamente sin ningn clculo cuando el edificio rene los requisitos planteados en
este reglamento para la aplicacin de este procedimiento; y otros dos mtodos:
Mtodo Analtico y Procedimiento del Tnel de Viento.
Existen adems otros trabajos investigativos que se han plasmado en normas y
reglamentos de varios pases cuyo nico propsito es evitar desastres provocados por
la presin del viento en las diferentes estructuras existentes.
En el Ecuador se conoce que el diseo por viento en las edificaciones son muy
simplistas al no contar con este tipo de investigacin. Con el aporte de las
investigaciones realizadas en otros pases se pretende realizar la normativa de diseo
por viento para prevenir daos en prticos, galpones industriales, soportes de
tuberas, y estructuras tridimensionales en celosa para el Ecuador.
.
2.2 FUNDAMENTACION TEORICA.
Una normativa de diseo por viento, tiene como principal parmetro el normar y
reglamentar el clculo de la presin que ejerce el viento sobre una superficie. El
viento tratndose del factor influyente en el clculo de la presin lo describiremos de
la siguiente manera.
- VIENTO.- Tiene varios conceptos se define como aire en movimiento, ste
trmino tambin se aplica al movimiento horizontal de la atmsfera en cambio los
movimientos verticales o casi verticales se llaman CORRIENTES.
La diferencia de presin atmosfrica debido a los cambios de temperatura son los que
producen el viento, mientras que las variaciones de distribucin de presin y
temperatura se deben a la distribucin desigual del calentamiento solar y varias
propiedades trmicas de la superficie terrestre y ocenica.
Los vientos pueden clasificarse en cuatro tipos: dominantes, estacionales, locales, por
ltimo ciclnicos y anticiclnicos
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- VIENTOS DOMINANTES.- Existe una zona de bajas presiones cerca del
Ecuador a la que se denomina zona de calmas ecuatoriales, situadas entre los 10 de
latitud S y 10 de latitud N, aqu se tiene un aire caliente y sofocante. A unos 30 del
Ecuador en ambos hemisferios existe otra banda de presiones altas con calmas,
vientos suaves y variables. El aire superficial al moverse desde sta zona hasta la
banda ecuatorial de presiones bajas, constituye los vientos ALISOS, dominantes en
las latitudes menores.
En el hemisferio norte, el viento del norte que sopla hacia el Ecuador se desva por la
rotacin d la tierra hasta convertirse en un viento del noreste, llamada alisios del
noreste. En el hemisferio sur el viento del sur se desva de forma similar para ser el
alisio del sureste.
Las regiones ms fras de los polos tienden a ser centros de alta presin, en particular
en el hemisferio sur, y los vientos dominantes que parten de stas reas se desvan
para convertirse en los vientos polares del este.
Al aumentar la altura sobre la superficie de la Tierra, los vientos dominantes del
oeste se aceleran y cubren una superficie mayor entre el ecuador y el polo. As, los
vientos alisios y los polares del este son bajos y, en general, son reemplazados por
los del oeste sobre alturas de unos cientos de metros. Los vientos del oeste ms
fuertes se producen a alturas entre 10 y 20 km y tienden a concentrarse en una banda
estrecha llamada corriente de chorro, donde se han medido hasta 550 km/h de
velocidad.
- VIENTOS ESTACIONALES.- El aire sobre la tierra es ms clido en verano y
ms fri en invierno que el situado sobre el ocano adyacente sobre una misma
estacin. As, durante el verano, los continentes son lugares de presin baja con
vientos que soplan desde los ocanos, que estn ms fros. En invierno, los
continentes albergan altas presiones, y los vientos se dirigen hacia los ocanos, ahora
ms clidos. Los ejemplos tpicos de estos vientos son los monzones del mar de la
China y del Ocano Indico.
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14
- VIENTOS LOCALES.- Parecido a las variaciones estacionales de temperatura y
presin entre la tierra y el agua, hay cambios diarios que ejercen efectos similares
pero ms localizados. En verano, sobre todo, la tierra est ms caliente que el mar
durante el da y ms fra durante la noche, esto induce un sistema de brisas dirigidas
hacia tierra de da y hacia el mar de noche. Estas brisas penetran hasta unos 50 km
tierra y mar adentro.
Hay cambios diarios de temperatura similares sobre terrenos irregulares que
provocan brisas en las montaas y los valles. Otros vientos inducidos por fenmenos
locales son los torbellinos y los vientos asociados a las tormentas.
- ESCALA DE VIENTO DE BEAUFORT.- Los marinos y los meteorlogos
utilizan la escala de viento de Beaufort para indicar la velocidad del viento. Fue
diseada en 1805 por el hidrgrafo irlands Francis Beaufort. Sus denominaciones
originales fueron modificadas ms tarde, la escala que se usa en la actualidad es la
siguiente.
Tabla No.1: Escala de Beaufort 2
Escala de Beaufort
Velocidad del Viento (km/h) Denominacin del viento
0 1 5 Calma
1 6 11 Ventolina
2 12 19 Muy flojo
3 20 38 Flojo
4 29 - 28 Bonancible
5 29 38 Fresquito
6 39 49 Fresco
7 50 61 Frescachn
8 62 74 Duro
9 75 88 Muy Duro
10 89 102 Temporal
11 103 117 Borrasca
12 Ms de 117 Huracn FUENTE: EL VIENTO Y SUS CONCECUENCIAS, Peter Dooley
2 El viento y sus consecuencias, Peter Dooley
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15
Una veleta comn ser el instrumento que se utilice para medir la direccin del
viento, sta nos indicar de donde procede el viento mediante una conexin a un dial
o a una serie de conmutadores electrnicos que encienden pequeos focos en la
estacin de observacin para indicarlo. En tanto que la velocidad del viento se mide
por medio de un anemmetro.
Por otro lado las estructuras que soportan la presin o empuje del viento son
diversas, siendo necesario realizar una breve descripcin.
2.2.1 SISTEMAS ESTRUCTURALES
Un sistema estructural deriva su carcter nico de cierto nmero de consideraciones;
las que pueden ser analizadas por separados, y son las siguientes:
a.- Funciones estructurales especficas resistencia a la compresin, resistencia a la
tensin; para cubrir claros horizontales, verticalmente; en voladizo u horizontal.
b.- La forma geomtrica u orientacin
c.- El o los materiales de los elementos
d.- La forma y unin de los elementos
e.- La forma de apoyo de la estructura
f.- Las condiciones especificas de carga
g.- Las consideraciones de usos impuestas
h.- Las propiedades de los materiales, procesos de produccin y la necesidad de
funciones especiales como desarmar o mover
Existen caractersticas para calificar los sistemas disponibles que satisfagan una
funcin especfica. Los siguientes puntos son algunas de estas caractersticas:
economa, necesidades estructurales especiales, problemas de diseo, problemas de
construccin, material y limitacin de escala.
-
16
2.2.2 CLASIFICACION DE LOS SISTEMAS ESTRUCTURALES.
Estructuras macizas: Son aquellas en las que la resistencia y la estabilidad se logran
mediante la masa, aun cuando la estructura no sea completamente slida.
Estructuras reticulares: Consiste en una red de elementos ensamblados.
Estructuras superficiales: Pueden tener alto rendimiento debido a su funcin doble
como estructura y envolvente, pueden ser muy estables y fuertes.
2.2.3 TIPOS DE ESTRUCTURAS
MUROS ESTRUCTURALES
Tiene dos elementos distintivos en la estructura general del edificio:
Muros: Utilizados para dar estabilidad lateral, as como apoyo a los elementos que
cubren el claro. Generalmente son elementos a compresin. Pueden ser monolticos o
entramados ensamblados de muchas piezas. Aunque no se utilizan para transmisin
de carga vertical se utilizan, a menudo, para dar estabilidad lateral.
Elementos para cubrir claros: Funcionan como pisos y techos. Dentro de estos se
encuentran una gran variedad de ensambles, desde simples tableros de madera y
viguetas hasta unidades de concreto precolado o armaduras de acero.
SISTEMA DE POSTES Y VIGAS
El uso de troncos y rboles en las culturas primitivas como elementos de
construccin fue el origen de este sistema bsico, la cual es tcnica constructiva
importantes del repertorio estructural. Los dos elementos bsicos son:
Poste: es un elemento que trabaja a compresin lineal y est sujeto a aplastamiento o
pandeo, dependiendo de su esbeltez relativa.
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17
Viga: bsicamente es un elemento lineal sujeto a una carga transversal; debe generar
resistencia interna a los esfuerzos cortantes y de flexin y resistir deflexin excesiva.
La estructura de vigas y postes requiere el uso de un sistema estructural secundario
de relleno para producir las superficies de los muros, pisos y techos. Algunas
variaciones de este sistema son:
- Extensin de los extremos de las vigas
- Sujecin rgida de vigas y postes
- Sujecin rgida con extensin de los extremos de las vigas
- Ensanchamiento de los extremos del poste
- Viga continua
MARCOS RIGIDOS
Se denomina as cuando los elementos de un marco lineal estn sujetos rgidamente,
es decir, cuando las juntas son capaces de transferir flexin entre los miembros, este
sistema asume un carcter particular. Si todas las juntas son rgidas, es imposible
cargar algunos de los miembros transversalmente sin provocar la flexin de los
dems.
SISTEMAS PARA CUBRIR CLAROS PLANOS
Consiste en producir el sistema en dos sentidos del claro, en vez de uno solo. El
mximo beneficio se deriva de un claro en dos direcciones si los claros son iguales.
Otro factor importante para incrementar el rendimiento es mejorar la caracterstica de
la flexin de los elementos que cubren el claro.
SISTEMA DE ARMADURAS
Una estructura de elementos lineales conectados mediante juntas o nudos se puede
estabilizar de manera independiente por medio de tirantes o paneles con relleno
-
18
rgido. Para ser estables internamente o por si misma debe cumplir con las siguientes
condiciones:
- Uso de juntas rgidas
- Estabilizar una estructura lineal, por medio de arreglos de los miembros en
patrones rectangulares cooplanares o tetraedros espaciales, a este se le llama
celosa.
Cuando el elemento estructural producido es una unidad para claro plano o voladizo
en un plano, se llama armadura. Un elemento completo tiene otra clasificacin: arco
o torre de celosa.
SISTEMA DE ARCO, BOVEDA Y CUPULA
El concepto bsico de arco es tener una estructura para cubrir claros, mediante el uso
de compresin interna solamente. El perfil del arco puede ser derivado
geomtricamente de las condiciones de carga y soporte. Para un arco de un solo claro
que no est fijo en la forma de resistencia al momento, con apoyos en el mismo nivel
y con una carga uniformemente distribuida sobre todo el claro. La forma resultante
es la de una curva de segundo grado o parbola. La forma bsica es la curva convexa
hacia abajo, si la carga es gravitacional.
ESTRUCTURAS A TENSION
La estructura de suspensin a tensin fue utilizada ampliamente por algunas
sociedades primitivas, mediante el uso de lneas cuerdas tejidas de fibras o bamb
deshebrado. Desde el punto de vista estructural, el cable suspendido es el inverso del
arco, tanto en forma como en fuerza interna. La parbola del arco a compresin se
jala para producir el cable a tensin. El acero es el principal material para este
sistema y el cable es la forma lgica.
ESTRUCTURAS DE SUPERFICIES
Son aquellas superficies extensas, delgadas y que funcionan para resolver solo
fuerzas internas dentro de ellas. El muro que resiste la compresin, que estabiliza el
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19
edificio al resistir el cortante dentro de un plano y al cubrir claros como una viga,
acta como una estructura de superficie. La bveda y la cpula son ejemplos de este
tipo.
Las estructuras de superficie ms puras son las que estn sometidas a tensin. Las
superficies a compresin deben de ser ms rgidas que las que soportan tensin,
debido a la posibilidad de pandeo.
SISTEMAS ESPECIALES
Estructuras infladas: Se utiliza inyeccin o presin de aire como recurso estructural
en una variedad de formas.
Estructuras laminares: es un sistema para moldear superficies de arco o bveda,
utilizando una red de nervaduras perpendiculares que aparecen como diagonales en
planta.
Cpulas geodsicas: ideada para formar superficies hemisfricas, se basa en
triangulacin esfrica.
Estructuras de mstil: existen estructuras similares a los rboles, que tienen piernas
nicas para apoyo vertical y que soportan una serie de ramas. Requiere bases muy
estables, bien ancladas contra el efecto del volteo provocado por fuerzas
horizontales.
2.2.4 MATERIALES ESTRUCTURALES
CONSIDERACIONES GENERALES:
En el estudio o diseo de estructuras, interesa conocer las propiedades particulares de
los materiales. Estas propiedades pueden dividir en estructurales esenciales y
generales.
-
20
a) Propiedades estructurales esenciales:
Resistencia: puede variar para los diferentes tipos de fuerzas, direcciones, edades o
valores de temperatura o contenido de humedad.
Resistencia a la deformacin: grado de rigidez, elasticidad, ductilidad; variacin
con el tiempo, temperatura, etc.
Dureza: resistencia al corte de la superficie, raspaduras, abrasin o desgaste.
Resistencia a la fatiga: prdida de la resistencia con el tiempo; fractura progresiva;
cambio de forma con el tiempo.
Uniformidad de estructura fsica: vetas y nudos en la madera, agrietamiento del
concreto, planos cortantes en la roca, efectos de la cristalizacin en los metales.
b) Las propiedades generales:
Forma: natural, remoldada o reconstituida.
Peso: como contribuyente a las cargas gravitacionales de la estructura.
Resistencia al fuego: combustibilidad, conductividad, punto de fusin y
comportamiento general de altas temperaturas.
Coeficiente de expansin trmica: relacionado con los cambios dimensionales
debidos a las variaciones de temperatura.
Durabilidad: resistencia al clima, pudricin, insectos y desgastes.
Apariencia: natural o modificada.
Disponibilidad y uso: materiales de la zona y uso moderado
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21
La eleccin de materiales debe hacerse en base a las propiedades, estructurales y
generales. Se tiene que categorizar, segn su importancia.
TIPOS DE MATERIALES
MADERA.
De uso general en la construccin, las limitaciones de forma y tamao se han
ampliado mediante la laminacin y los adhesivos. Las tcnicas especiales de sujecin
han hecho estructuras de mayor tamao mediante un mejor ensamble. La
combustibilidad, la podredumbre y la infestacin de insectos se pueden retardar con
la utilizacin de impregnaciones qumicas. El tratamiento con vapor o gas amoniacal
puede hacer altamente flexible a la madera, permitindole asumir formas plsticas.
ACERO.
El acero se usa en gran variedad de tipos y formas en casi cualquier edificio. Es el
material ms verstil de los sistemas estructurales, tambin el ms fuerte, resistente
al envejecimiento y muy confiable en cuanto a la calidad. El acero es completamente
industrializado y est sujeto a estrecho control de su composicin y de los detalles de
su moldeo y fabricacin. Tiene las cualidades adicionales deseables de no ser
combustible y ser estable dimensionalmente con el tiempo y los cambios de
temperatura. Las desventajas son su rpida absorcin de calor y la prdida de
resistencia (cuando se expone al fuego), corrosin (cuando se expone a la humedad y
al aire).
CONCRETO.
La palabra concreto se usa para describir una variedad de materiales que tienen un
elemento en comn: el uso de un agente aglutinante o aglomerante para formar una
masa slida a partir de un agregado suelto inerte ordinario. Los tres ingredientes
bsicos del concreto ordinario son agua, agente aglomerante (cemento) y agregado
suelto (arena y grava).
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22
El concreto ordinario puede tomar una gran variedad de formas, tiene varios
atributos, el principal es su bajo costo y la resistencia a la humedad, oxidacin, fuego
y los desgastes.
Su principal desventaja es la falta de resistencia al esfuerzo de tensin. Debido a su
amorfismo, su amoldado y acabado, presentan a menudo, los mayores gastos en su
uso. El precolado de fbrica en formas permanentes es una tcnica comn utilizada
para superar ese problema.
ALUMINIO.
Se usa para una gran variedad de elementos estructurales, decorativos y funcionales
en la construccin de edificios. Las principales ventajas son su peso ligero y su alta
resistencia a la corrosin. Entre las desventajas estn su suavidad, su baja rigidez, sus
grandes variaciones de dimensin por su expansin trmica, su baja resistencia al
fuego y su costo relativamente alto.
MAMPOSTERIA.
Se usa para describir una variedad de deformaciones que constan de elementos
separados entre s por algn elemento aglutinante. Los elementos pueden ser roca
bruta o cortada, losetas o ladrillos cocidos de arcilla, o unidades de concreto.
Tradicionalmente, el aglutinante es mortero de cemento-cal. El ensamble resultante
es similar a una estructura de concreto y posee muchas propiedades.
Dos importantes de la estructura de mampostera son la contraccin del mortero y el
agrietamiento por expansin trmica.
PLASTICOS.
Los elementos de plstico representan la mayor variedad de uso en la construccin de
edificios. Algunos de los principales problemas con los plsticos son su falta de
-
23
resistencia al fuego, escasa rigidez, expansin trmica e inestabilidad qumica o
fsica con el tiempo.
Algunos de los usos en la construccin son: sustituto del vidrio, revestimiento,
adhesivos, elementos moldeados y espumas.
MATERIALES DIVERSOS:
VIDRIO: el vidrio ordinario posee considerable resistencia, pero tiene la
caracterstica indeseable de ser frgil y de fcil fragmentacin por impacto. Un
tratamiento especial puede aumentar su resistencia a las cargas y al impacto, pero es
costoso para usarlo en grandes cantidades. Es inconcebible el uso de este material en
construcciones de gran escala. Sin embargo, se usa para revestimientos, as como
ventaneara transparente.
FIBRA DE VIDRIO: es una forma fibrosa, en la cual es capaz de acercarse a su
resistencia ideal
En el Ecuador los materiales ms utilizados en la construccin de prticos, galpones
industriales, soportes de tuberas, y estructuras tridimensionales en celosa son el
acero estructural y el concreto armado, siendo estas estructuras parte de la presente
investigacin a la cual se pretender prevenir los daos causados por la presin del
viento.
2.2.5 DEFINICION DE TERMINOS BASICOS.
Viento.- Corriente de aire producida en la atmsfera por causas naturales
Presin de viento.- Es la accin o efecto de apretar o comprimir mediante la fuerza
ejercida por el viento sobre la unidad de superficie
Edificacin.- Construccin fija, hecha con materiales resistentes, para la habitacin
humana o para otros usos.
-
24
Estructura.- Armadura, generalmente de acero u hormign armado, que, fija la
estructura al suelo, sirve de sustentacin a un edificio.
Vientos alisios.- Los alisios son vientos que soplan siempre en la misma direccin,
desde los trpicos hacia el ecuador. Son vientos constantes de pequea intensidad
(unos 20 km/h).
Huracanes.- Son vientos fuertes segn la escala de Beaufort, los vientos mayores a
117 km/h, se los denomina como huracanes.
Veleta.- Instrumento metlico, ordinariamente en forma de saeta, que se coloca en
lo alto de un edificio, de modo que pueda girar alrededor de un eje vertical impulsada
por el viento, y que sirve para sealar la direccin del mismo
Normativa de diseo por viento.- Reglas que se deben seguir o a que se deben
ajustar para el diseo por viento.
Resistencia al viento.- Tolerar, aguantar o resistir a la accin de la presin del
viento.
Elemento estructural.- Cada una de las piezas que conforman la estructura total.
Falla estructural.- Dao material de un elemento que conforma la estructura el cual
pierde su resistencia.
Rfaga.- Viento fuerte y de corta duracin.
Empuje.- Fuerza producida por el viento
2.3 FUNDAMENTACION LEGAL.
El Cdigo Ecuatoriano de la construccin en su publicacin del INEN 2001, dice:
Todos los edificios, y cada una de sus partes, deben disearse y construirse para
sostener dentro de las limitaciones de los esfuerzos especificadas en este cdigo,
-
25
todas las cargas muertas y todas las otras cargas determinadas en esta parte o
cualquier otra parte de este cdigo, las cargas de impacto deben considerarse en el
diseo de cualquier estructura, cuando se prevea que puede ocurrir.
La Normativa de Diseo por Viento para nuestro pas pretende normar el clculo de
la carga por viento y la obtencin de la velocidad de diseo contando con los valores
de velocidad del viento emitidas por el INAMHI obtenidas bajo sus propias
normativas, adems para la configuracin de estructuras se apoyar en las normas,
CEC 2002, ACI-318S-05, UBC, AISC y otros.
2.4. RED DE CATEGORIAS FUNDAMENTALES
VARIABLE INDEPENDIENTE VARIABLE DEPENDIENTE
2.5 HIPOTESIS.
La normativa de diseo por viento ser necesaria para evitar daos en prticos,
galpones industriales, soportes de tubera y estructuras tridimensionales en celosa
para el Ecuador.
CONSTRUCCIONES CIVILES
SEGURIDAD ESTRUCTURAL
NORMATIVA DE DISEO
DISEO DE ESTRUCTURAS
ESTABILIDAD DE EDIFICACIONES
ANLISIS DE CARGAS
SISTEMA ESTRUCTURAL PORTICOS ..
TIPO DE EDIFICACIONES
-
26
2.6 VARIABLES
2.6.1 VARIABLE INDEPENDIENTE
Normativa de diseo por viento para el Ecuador
2.6.2 VARIABLE DEPENDIENTE
Evitar daos en prticos, galpones industriales, soportes de tubera, y estructuras
tridimensionales en celosa.
-
27
CAPITULO III
METODOLOGIA
3.1 MODALIDAD BASICA DE LA INVESTIGACION
La investigacin sobre el tipo de estructuras como prticos, galpones industriales,
soportes de tuberas, y estructuras tridimensionales en celosa que se utilizan en obras
civiles para el Ecuador, es CUALITATIVA por que permitir analizar sus
caractersticas como forma, altura, rigidez, etc., para realizar su diseo de presiones
por viento ptimo.
Tambin la investigacin sobre la creacin de la normativa de diseo por viento de
estructuras, es CUANTITATIVA por que se realizar la tabulacin y clculos
matemticos que permitan encontrar la velocidad de diseo y la presin que ejerce el
viento sobre las estructuras.
3.2 NIVEL O TIPO DE INVESTIGACION
El tipo de investigacin para el desarrollo de la normativa de diseo por viento para
evitar daos en prticos, galpones industriales, soportes de tuberas, y estructuras
tridimensionales en celosa que se utilizan en obras civiles ser documental
bibliogrfica por que se requiere crear dicha normativa y calcular las presiones del
viento sobre stas estructuras, para esto es necesario contar con investigaciones,
ensayos y reglamentos realizados, y tambin con criterios de varios investigadores
que son expertos en este tema.
-
28
3.3 POBLACION Y MUESTRA
3.3.1 POBLACION
El universo de estudio para la creacin de la normativa de diseo por viento esta
direccionado a: prticos, galpones industriales, soportes de tubera y estructuras
tridimensionales en celosa para el Ecuador.
3.3.2 MUESTRA
El tipo de muestreo que se tiene es el probabilstico es decir que las estructuras
seleccionas para el diseo son de forma individual y directa.
3.4 OPERACIONALIZACION DE VARIABLES
-
29
3.4.1 VARIABLE INDEPENDIENTE
CUADRO No.2
NORMATIVA DE DISEO POR VIENTO
CONCEPTO CATEGORIA A MEDIR INDICADOR INDICE HERRAMIENTA
La normativa de diseo por viento son los procedimientos y reglas que se deben seguir o ajustar para determinar las velocidades de diseo y las fuerzas por viento que deben emplearse en el diseo de los diferentes tipos de estructuras que se proponen.
1 . P R O C E S O LO G I C O 2. CONTENIDO 3. REFERENCIACION
FACTORES DE
DISEO
COMPRENSIBLE
FORMULAS
TEXTOS
CUADROS
- DIRECCION DE ANALISIS -- FACTORE DE CARGA Y RESISTENCIA - SEGURIDAD CONTRA EL VOLTEO - SEGURIDAD CONTRA EL DESLIZAMIENTO. - PRESIONES INTERIORES. - SEGURIDAD DURANTE CONSTRUCCION. - EFECTO DE GRUPO DEBIDO A CONSTRUCCIONES VECINAS. - ANLISIS ESTRUCTURAL. - ITERACCION SUELO ESTRUCTURA - CLARA - CONCRETA - CLARA - COMPRENSIBLE
- MAPAS ISOSISTAS CALCULOS MATEMATICOS - ORDENANZAS MUNICIPALES - TABLAS DE CLASIFICACION CALCULOS MATEMATICOS REDACCION REDACCION
-
30
3.4.2 VARIABLE DEPENDIENTE
CUADRO No.3
EVITAR DAOS EN PORTICOS, GALPONES INDUSTRIALES, SOPORTES DE TUBERIA
Y ESTRUCTURAS TRIDIMENSIONALES EN CELOSIA
CONCEPTO CATEGORIA A MEDIR INDICADOR INDICE HERRAMIENTA
Los daos estructurales pueden ser evitados mediante un control de fuerzas o presiones que ejerce sobre las diferentes estructuras, tales como prticos, galpones industriales, soportes de tuberas y estructuras tridimensionales en celosa, las mismas que son formas estructurales compuestas de piezas o elementos como, columnas, vigas, muros, etc., de hormign armado o elementos de perfilara metlica en celosas, que soportan cargas muertas, vivas, ssmicas, de viento y otras.
1. TIPO DE ESTRUCTURAS 2. CLASIFICACION DE LAS ESTRUCTURAS
- RIGIDAS - FLEXIBLES
- IMPORTANCIA
- RESPUESTA A LA ACCION DEL VIENTO
- BAJO PERIODO DE VIBRACION - ALTOS PERIODO DE VIBRACION - GRUPO A SEGURIDAD MUY ELEVADA - GRUPO B SEGURIDAD MODERADA - GRUPO C BAJO GRADO DE SEGURIDAD - TIPO 1, ESTRUCT. POCO SENSIBLES A LAS RAFAGAS Y LOS EFECTOS DINAMICOS DEL VIENTO - TIPO 2, ESTRUCT. SENSIBLES A LAS RAFAGAS DE CORTA DURACION ENTRE 1 5 seg. - TIPO 3, ESTRUCT. CILINDRICAS Y PRISMATICAS ESBELTAS. - TIPO 4, ESTRUCT. LARGOS PERIODEOS DE VIBRACION.
- CALCULOS MATEMATICOS OBSERVACION CALCULOS MATEMATICOS
-
31
3.5 PLAN DE RECOLECCION DE INFORMACION
Anlisis de la velocidad del viento que se puede utilizar en el clculo de la presin.
Evaluacin de la presione de viento que se generan en las diferentes regiones
del Ecuador.
Revisin de las presiones de viento obtenidas en otras normativas o cdigos de pases vecinos.
3.6 PLAN DE PROCESAMIENTO DE LA INFORMACION
Redaccin y desarrollo del proceso lgico de la normativa de diseo por viento.
Obtencin de las velocidades de viento para el diseo de las estructuras.
Anlisis de parmetros que influyen en el clculo de la presin del viento
-
32
CAPITULO IV
ANALISIS E INTERPRETACION DE RESULTADOS
4.1 ANALISIS
La elaboracin de la normativa de diseo por viento direccionada a prtico, galpones
industriales, soportes de tubera y estructuras tridimensionales en celosa para el
Ecuador, est basada principalmente en la velocidad del viento de todas las regiones
del pas. Esta velocidad ha sido medida mediante veletas que son aparatos
debidamente calibrados y se encuentran en las estaciones meteorolgicas ubicadas en
la mayora de las ciudades y estn a cargo del Instituto Nacional de Meteorologa e
Hidrologa INAMHI.
Los registros de velocidades del viento en el Ecuador servir para el desarrollo de
ste tema investigativo, los mismos que se tabularn con procedimientos estadsticos
que nos permitan tener una idea clara y precisa de la velocidad del viento.
4.2 INTERPRETACION
Para la interpretacin de resultados, debemos conocer primero los registros de
velocidades de viento que se han producido en el pasado y proyectarlos hacia el
futuro mediante procedimientos estadsticos que tengan un buen nivel de
confiabilidad.
En la siguiente tabla se detalla las estaciones de medicin y las ubicaciones en
coordenadas, obtenidas de los registros emitidos por el INHAMI, as como tambin
se muestra el mapa geogrfico que se grafic con las coordenadas de cada estacin
meteorolgica en el Ecuador.
-
33
TABLA No.2 Ubicacin de estaciones de medicin
ESTACION LATITUD (N-S) LONGITUD (E-W) ELEVACION "INGUINCHO" "M001" 0 15 30 N 78 24 3 W 3140 "LA TOLA" "M002" 0 13 46 S 78 22 0 W 2480 "ISOBAMBA" "M003" 0 22 0 S 78 33 0 W 3058 "RUMIPAMBA" "M004" 1 1 5 S 78 35 32 W 2680 "PORTOVIEJO UTM" "M005" 1 2 26 S 80 27 54 W 46 "PICHILINGUE" "M006" 1 6 0 S 79 27 42 W 120 "NUEVO ROCAFUERTE" "M007" 0 55 0 S 75 25 0 W 265 "PUYO" "M008" 1 30 27 S 77 56 38 W 960 "LA VICTORIA" "M009" 0 3 36 S 78 12 2 W 2262 "LA CONCORDIA" "M025" 0 1 36 N 79 22 17 W 379 "BAOS" "M029" 1 23 29 S 78 25 5 W 1695 "SAN SIMON" "M030" 1 38 45 S 78 59 52 W 2530 "CAAR" "M031" 2 33 5 S 78 56 15 W 3083 "LA ARGELIA LOJA" "M033" 4 2 11 S 79 12 4 W 2160 "MILAGRO I VALDEZ" "M037" 2 6 56 S 79 35 57 W 13 "SANGAY P. STA ANA" "M041" 1 41 35 S 77 57 0 W 880 "TENA" "M070" 0 59 5 S 77 48 50 W 665 "EL ANGEL" "M102" 0 37 35 N 77 56 38 W 3000 "SAN GABRIEL" "M103" 0 36 15 N 77 49 10 W 2860 "OTAVALO" "M105" 0 14 16 N 78 15 35 W 2550 "COTOPAXI" "M120" 0 37 9 S 78 34 19 W 3561 "PATATE" "M126" 1 18 1 S 78 30 0 W 2270 "CHILLANES" "M130" 1 58 32 S 79 3 48 W 2330 "GUAMOTE" "M134" 1 56 0 S 78 43 0 W 3020 "PACHAMAMA TIXAN" "M135" 2 11 42 S 78 46 54 W 3690 "BIBLIAN" "M137" 2 42 32 S 78 53 30 W 2640 "PAUTE" "M138" 2 46 39 S 78 45 32 W 2289 "CARIAMANGA" "M146" 4 20 0 S 79 33 16 W 1950 "MUISNE" "M153" 0 36 54 N 80 1 28 W 5 "CAYAPAS" "M154" 0 51 28 N 78 57 44 W 55 "EL CARMEN" "M160" 0 16 51 S 79 27 18 W 387 "PEDERNALES" "M168" 0 3 30 N 80 3 20 W 20 "ARENILLAS" "M179" 3 32 27 S 80 3 14 W 26 "MACHALA" "M185" 3 3 0 S 79 44 0 W 13 "PAPALLACTA" "M188" 0 21 54 S 78 8 41 W 3150 "GUALAQUIZA" "M189" 3 23 53 S 78 34 33 W 750 "YANZATZA" "M190" 3 50 15 S 78 45 1 W 830 "CHARLES DARWIN" "M191" 0 44 0 S 90 18 0 W 6 "SAN CRISTOBAL" "M221" 0 54 0 S 89 36 0 W 6 "QUEROCHACA" "M258" 1 24 0 S 78 35 0 W 2580 "VINCES" "M466" 1 32 57 S 79 45 0 W 14 "GUAYAQUIL U EST." "MA2V" 2 12 0 S 79 53 0 W 6
"TAMALON TABACUNDO" "MA2T" 0 2 0 N 78 14 0 W 2790 FUENTE: INAMHI
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34
81
80
79
78
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75 1 0 1 2 3 4 5
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5
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6
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134
M13
5
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7M
138
M14
6
M15
3
M15
4
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0
M16
8
M17
9
M18
5
M18
8
M18
9
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8
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-
35
Cada estacin meteorolgica registra velocidades de viento mensuales desde el ao
1985 hasta el 2008, tomando en cuenta que en algunas estaciones no existen
mediciones en un determinado mes del ao debido a mantenimientos o calibraciones
rutinarios en las veletas.
En los anexos del No. 1 al No. 43 se incluye todos los registros estadsticos de
velocidades de viento de las diferentes estaciones emitidos por el INHAMI.
Por ejemplo para la estacin meteorolgica QUEROCHACA M258 de la provincia
del Tungurahua El formato de datos de medicin de registros de velocidades es
como lo detalla la tabla No.3
Se puede observar claramente en esta estacin que las velocidades del viento en un
determinado ao son variables, los registros mensuales indican que la velocidad
media de viento es 13.2 m/s y la mxima es de 20 m/s equivalente 72 km/h que
segn la escala de viento de Beaufortr para vientos de 62 a 74 km/k los clasifica
como VIENTOS DUROS, estando al lmite de ser muy duros que van de 75 a 88
km/h, que no se descarta por la alteracin climtica
El diseo de las estructuras como prticos galpones industriales soportes de tuberas
y celosas tridimensionales tiene una relacin directa entre la vida til y el perodo de
retorno de las velocidades mximas esperadas, esto hace considerar que las
mencionadas estructuras se disearn para velocidades mximas esperadas.
Las velocidades mximas esperadas para el diseo de una estructura se puede
proyectar hacia el futuro mediante varios procedimientos estadsticos que de entre los
cuales utilizaremos la teora de los limites Mtodo Pearzon III o Binomial
-
36
TABLA No.3 Datos estadsticos de registros de velocidades de viento estacin Querochaca INSTITUTO NACIONAL DE METEOROLOGIA E HIDROLOGIA DIRECCION DE INFORMATICA VIENTO MAXIMO MENSUAL Y DIRECCION (m/s) ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------ S E R I E S D E D A T O S M E T E O R O L O G I C O S ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------ NOMBRE: QUEROCHACA(UTA) CODIGO: M258 PERIODO: 1980 - 2008 LATITUD: 1 24 0 S LONGITUD: 78 35 0 W ELEVACION: 2850 ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------ VALORES MENSUALES VALORES ANUALES AOS ENE FEB MAR ABR MAY JUN JUL AGO SEP OCT NOV DIC SUMA MEDIA 1985 12.0 E 8.0 E 1986 10.0 E 10.0 E 10.0 E 14.0 E 10.0 E 10.0 E 14.0 E 14.0 E 10.0 E 8.0 E 10.0 E 14.0 E 134.0 11.1 1987 10.0 E 20.0 E 10.0 E 10.0 E 20.0 E 14.0 E 10.0 E 14.0 SE 16.0 SE 14.0 SE 14.0 E 20.0 SE 172.0 14.3 1988 10.0 SE 14.0 SE 14.0 SE 14.0 SE 10.0 E 20.0 SE 20.0 SE 14.0 SE 20.0 E 14.0 E 10.0 E 8.0 S 168.0 14.0 1989 14.0 E 20.0 N 14.0 E 10.0 E 14.0 E 18.0 E 20.0 SE 14.0 E 20.0 E 14.0 E 16.0 E 14.0 E 188.0 15.6 1991 12.0 SE 20.0 E 14.0 E 14.0 E 14.0 E 16.0 E 12.0 E 20.0 E 14.0 E 20.0 SE 8.0 E 14.0 E 178.0 14.8 1992 20.0 E 20.0 E 14.0 E 14.0 E 14.0 E 14.0 E 20.0 E 14.0 E 12.0 E 14.0 E 14.0 E 14.0 E 184.0 15.3 1993 18.0 E 20.0 E 14.0 SW 9.0 E 8.0 E 14.0 E 20.0 E 20.0 E 20.0 E 14.0 E 10.0 NE 12.0 E 179.0 14.9 1994 14.0 E 20.0 E 14.0 E 10.0 E 20.0 E 14.0 E 14.0 E 20.0 E 14.0 E 10.0 E 12.0 E 20.0 E 182.0 15.1 1995 16.0 E 14.0 E 14.0 E 10.0 E 14.0 E 10.0 E 12.0 E 20.0 E 14.0 E 14.0 E 14.0 E 10.0 E 162.0 13.5 1996 8.0 N 14.0 E 10.0 E 10.0 E 14.0 E 14.0 E 14.0 E 14.0 E 14.0 E 14.0 E 10.0 E 16.0 E 152.0 12.6 1997 10.0 SE 18.0 E 12.0 E 16.0 E 20.0 E 20.0 E 14.0 E 20.0 E 14.0 E 14.0 E 14.0 E 10.0 E 182.0 15.1 1998 14.0 E 20.0 E 12.0 E 14.0 E 12.0 SE 14.0 E 14.0 E 14.0 E 16.0 E 14.0 SE 14.0 W 14.0 E 172.0 14.3 1999 14.0 E 10.0 E 12.0 E 20.0 E 10.0 E 14.0 E 14.0 E 12.0 E 12.0 E 14.0 E 10.0 E 6.0 E 148.0 12.3 2000 10.0 E 8.0 E 12.0 E 8.0 E 10.0 W 14.0 E 14.0 E 14.0 E 8.0 SE 14.0 E 12.0 E 14.0 E 138.0 11.5 2001 12.0 E 14.0 E 14.0 E 14.0 E 12.0 E 14.0 E 12.0 E 12.0 E 10.0 E 2002 12.0 E 14.0 E 8.0 SE 14.0 E 14.0 E 14.0 E 20.0 E 14.0 E 10.0 E 10.0 E 10.0 E 14.0 E 154.0 12.8 2003 8.0 E 14.0 E 10.0 E 8.0 E 14.0 E 10.0 E 14.0 E 14.0 E 12.0 E 12.0 E 12.0 E 11.0 SE 139.0 11.5 2004 13.0 SE 10.0 E 13.0 E 11.0 E 14.0 E 10.0 E 14.0 E 14.0 E 10.0 E 12.0 E 8.0 E 2005 14.0 E 14.0 E 10.0 E 14.0 E 10.0 E 14.0 E 18.0 E 11.0 E 20.0 E 14.0 E 8.0 E 6.0 E 153.0 12.7 2006 14.0 E 8.0 E 10.0 E 8.0 E 10.0 E 14.0 E 14.0 E 8.0 E 10.0 E 12.0 E 8.0 E 10.0 SE 126.0 10.5 2007 10.0 E 10.0 E 14.0 E 7.0 SE 9.0 E 14.0 E 14.0 SE 10.0 E 10.0 E 12.0 E 8.0 E 2008 12.0 E 20.0 E 10.0 E 20.0 NW 10.0 E 10.0 E 14.0 E 12.0 E 12.0 E 6.0 E 10.0 SE suma 275.0 332.0 265.0 269.0 269.0 296.0 316.0 307.0 306.0 274.0 248.0 271.0 3428.0 285.6 media 12.5 15.0 12.0 12.2 12.8 14.0 15.0 14.6 13.9 13.0 11.2 11.7 158.4 13.2 mnima 8.0 8.0 8.0 7.0 8.0 10.0 10.0 8.0 8.0 8.0 6.0 6.0 6.0 mxima 20.0 20.0 14.0 20.0 20.0 20.0 20.0 20.0 20.0 20.0 16.0 20.0 20.0 amplit 12.0 12.0 6.0 13.0 12.0 10.0 10.0 12.0 12.0 12.0 10.0 14.0 14.0 desvia 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 coefi- 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 ciente-variacion FUENTE: INAMHI
-
37
4.2.1 CURVA DE PEARSON III O CURVA BINOMIAL.
En la teora de los valores lmites el inters principal no est en el promedio, sino en
los valores ms bajos o ms altos de la variable bajo estudio, es decir, el inters est
en los eventos asociados a los lmites ms alto o ms bajo de la distribucin. Por
ejemplo en la climatologa es necesario conocer el comportamiento de velocidades
extremas de vientos, huracanes, etc.
Este tipo de curvas es aplicable para registros de velocidades mximos o registros
medios, siempre que Cs sea mayor o igual que 2 Cv.
Donde:
a = Es una funcin de la moda y de la media aritmtica
g(a) = Integral de Euler de segundo grado
Figura No.2 Curva Binomial
Donde:
= Ordenada de la curva terica (para valores de: )
es una funcin de P%, Cs y se obtiene de la siguiente tabla propuesta en este mtodo.
( )( ) ( )dxeXP X
X
aaaa
aga --= 1
P(%)
X`
Cs>2Cv
Cs=2Cv
Cs
-
38
TABLA No 4. De probabilidades en porcentaje ()
Cs 0.01 0.1 1 2 5 10 25 50 75 80 90 95 99 99.9
0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9 2.0 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 2.8 2.9 3.0
3.72 3.94 4.16 4.38 4.61 4.83 5.05 5.28 5.5
5.73 5.96 6.18 6.41 6.64 6.87 7.09 7.31 7.54 7.76 7.98 8.21
3.09 3.23 3.38 3.52 3.66 3.81 3.96 4.10 4.24 4.38 4.53 4.67 4.81 4.95 5.09 5.28 5.37 5.50 5.64 5.77 5.91 6.06 6.20 6.34 6.47 6.60 6.73 6.86 6.99 7.12 7.25
2.33 2.40 2.47 2.54 2.61 2.62 2.75 2.82 2.89 2.96 3.02 3.09 3.15 3.21 3.27 3.33 3.39 3.44 3.50 3.55 3.60 3.65 3.70 3.75 3.79 3.83 3.87 3.91 3.95 3.99 4.02
2.06 2.11 2.16 2.21 2.26 2.31 2.35 2.40 2.45 2.50 2.54 2.58 2.62 2.61 2.71 2.74 2.78 2.82 2.85 2.88 2.91 2.94 2.97 3.00 3.03 3.06 3.09 3.12 3.15 3.18 3.20
1.64 1.67 1.70 1.72 1.75 1.77 1.80 1.82 1.84 1.86 1.88 1.89 1.91 1.92 1.94 1.95 1.96 1.97 1.98 1.99 2.00 2.00 2.01 2.01 2.01 2.01 2.01 2.01 2.02 2.02 2.02
1.28 1.20 1.30 1.31 1.32 1.33 1.33 1.33 1.34 1.34 1.34 1.34 1.34 1.34 1.34 1.33 1.33 1.32 1.32 1.31 1.30 1.29 1.28 1.27 1.25 1.24 1.23 1.21 1.20 1.19 1.18
0.67 0.66 0.65 0.64 0.63 0.62 0.61 0.59 0.58 0.57 0.55 0.54 0.52 0.51 0.49 0.47 0.46 0.44 0.42 0.40 0.39 0.37 0.35 0.33 0.32 0.30 0.28 0.26 0.24 0.22 0.20
0.00 -0.02 -0.03 -0.05 -0.07 -0.08 -0.10 -0.12 -0.13 -0.15 -0.16 -0.18 -0.19 -0.21 -0.22 -0.24 -0.25 -0.27 -0.28 -0.29 -0.31 -0.32 -0.33 -0.34 -0.35 -0.36 -0.37 -0.38 -0.38 -0.39 -0.40
-0.67 -0.68 -0.69 -0.70 -0.71 -0.71 -0.72 -0.72 -0.73 -0.73 -0.73 -0.74 -0.74 -0.74 -0.73 -0.73 -0.73 -0.72 -0.72 -0.72 -0.71 -0.70 -0.69 -0.68 -0.67 -0.66 -0.65 -0.64 -0.62 -0.61 -0.60
-0.84 -0.85 -0.85 -0.85 -0.85 -0.85 -0.85 -0.85 -0.85 -0.85 -0.85 -0.84 -0.84 -0.84 -0.83 -0.82 -0.81 -0.81 -0.80 -0.79 -0.78 -0.77 -0.75 -0.74 -0.72 -0.70 -0.68 -0.67 -0.63 -0.64 -0.62
-1.28 -1.27 -1.26 -1.24 -1.23 -1.22 -1.20 -1.18 -1.17 -1.15 -1.13 -1.10 -1.08 -1.06 -1.04 -1.02 -0.99 -0.97 -0.94 -0.92 -0.90 -0.87 -0.85 -0.82 -0.79 -0.77 -0.74 -0.72 -0.70 -0.67 -0.67
-1.64 -1.61 -1.58 -1.55 -1.52 -1.49 -1.45 -1.42 -1.38 -1.35 -1.32 -1.28 -1.24 -1.20 -1.17 -1.13 -1.10 -1.06 -1.02 -0.98 -0.95 -0.92 -0.89 -0.85 -0.82 -0.79 -0.76 -0.74 -0.71 -0.69 -0.65
-2.33 -2.25 -2.18 -2.10 -2.03 -1.96 -1.88 -1.81 -1.74 -1.66 -1.59 -1.52 -1.45 -1.38 -1.31 -1.26 -1.20 -1.14 -1.09 -1.04 -0.99 -0.95 -0.90 -0.87 -0.83 -0.80 -0.77 -0.74 -0.71 -0.69 -0.66
-3.09 -2.95 -2.81 -2.67 -2.54 -2.40 -2.27 -2.14 -2.02 -1.90 -1.79 -1.68 -1.58 -1.48 -1.39 -1.31 -1.24 -1.17 -1.11 -1.05 -1.00 -0.95 -0.91 -0.87 -0.83 -0.80 -0.78 -0.74 -0.71 -0.69 -0.67
Ejemplo, utilizando los coeficientes Cs (coeficiente de asimetra) de la tabla anterior
recomendados por el autor en la curva de Gumbel, Calcularemos la velocidad de
viento mximo de la estacin de Querochaca para una probabilidad de 15%,
aplicando el presente mtodo.
DATOS ESTACION QUEROCHACA M258.
Para el presente clculo se escogi las velocidades mximas de cada ao desde el
perodo 1985 al 2008, las mismas que se procedi a ordenarles en forma decreciente
de la siguiente manera.
-
39
TABLA No 5. Clculo estadstico mtodo PERASON III n Vmx AO Vmx P(%) Ki Ki-1 (Ki-1)
2 (Ki-1)3
cronolgico decreciente
1 12 1985 20 4.17 1.12740 0.12740 0.01623 0.00207
2 14 1986 20 8.33 1.12740 0.12740 0.01623 0.00207
3 20 1987 20 12.5 1.12740 0.12740 0.01623 0.00207
4 20 1988 20 16.67 1.12740 0.12740 0.01623 0.00207
5 20 1989 20 20.83 1.12740 0.12740 0.01623 0.00207
6 20 1991 20 25 1.12740 0.12740 0.01623 0.00207
7 20 1992 20 29.17 1.12740 0.12740 0.01623 0.00207
8 20 1993 20 33.33 1.12740 0.12740 0.01623 0.00207
9 20 1994 20 37.5 1.12740 0.12740 0.01623 0.00207
10 20 1995 20 41.67 1.12740 0.12740 0.01623 0.00207
11 18 1996 20 45.83 1.12740 0.12740 0.01623 0.00207
12 20 1997 20 50 1.12740 0.12740 0.01623 0.00207
13 20 1998 20 54.17 1.12740 0.12740 0.01623 0.00207
14 20 1999 20 58.33 1.12740 0.12740 0.01623 0.00207
15 14 2000 18 62.5 1.01466 0.01466 0.00021 0.00000
16 14 2001 14 66.67 0.78918 -0.21082 0.04445 -0.00937
17 20 2002 14 70.83 0.78918 -0.21082 0.04445 -0.00937
18 14 2003 14 75 0.78918 -0.21082 0.04445 -0.00937
19 14 2004 14 79.17 0.78918 -0.21082 0.04445 -0.00937
20 20 2005 14 83.33 0.78918 -0.21082 0.04445 -0.00937
21 14 2006 14 87.5 0.78918 -0.21082 0.04445 -0.00937
22 14 2007 14 91.67 0.78918 -0.21082 0.04445 -0.00937
23 20 2008 12 95.83 0.67644 -0.32356 0.10469 -0.03387
= 408 = 0.64325 -0.07052
17.74_
X
1710.01
)( 2__
1 =-
-= =
n
XKiCv
n
i
6411.0)1(
)1(
3
3
1 -=-
-= =
Cvn
KiCs
n
i
%57.3(%)_
==n
Cvx
%96.14(%)2
1 2=
+=
nCv
Cv
%88.80(%)5616
2
53
=++
=Cs
CvCvn
Cs
1100%
+=
ntni
xP -=X
VKi
max
-
40
Se observa que el error del Cs, es muy alto, debido a que la serie, es muy corta, se
recomienda calcular Cs, para series mayor a 100 datos.
Con el valor de Cs encontramos los valores de , de la tabla anterior (Probabilidades
en porcentajes)
Reemplazamos los valores obtenidos y mediante la presente ecuacin, determinamos
los valores de velocidades mximas, para las diferentes probabilidades.
TABLA No 6. Resultados de las velocidades mximas
T = 1 / (P%) P% Vp%Aos Cs=0.34
Tabla No210000 0.01 4.47 31.30
1000 0.10 3.58 28.60
100 1.00 2.57 25.54
50 2.00 2.23 24.50
20 5.00 1.73 22.99
10 10.00 1.31 21.71
4 25.00 0.64 19.68
2 50.00 -0.06 17.56
1.33 75.00 -0.7 15.62
1.11 90.00 -1.24 13.98
1.05 95.00 -1.54 13.07
1.01 99.00 -2.07 11.46
1.00 99.90 -2.62 9.79
Figura No 3. Curva de velocidades mxima vs probabilidad
5
10
15
20
25
30
35
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
VE
LO
CID
AD
MA
X P
RO
B. m
/s
P(%)
CURVA Vmax prob. VS P%
VELOCIDAD MAX. PROB. Vs P% LINEA DE TENDENCIA Vmax prob m/s
34.0)1710.0(2
2CvCs que considera se ;0.275.31710.06410.0
==
=-=-
=
CsCvCs
)1(%__
CvXXp f+=
-
41
Como el ejemplo de clculo nos pide la velocidad de viento mxima para un
probabilidad del 15% ingresamos a la curva graficada Vmax vs. Vmax prob, y
determinamos en las ordenadas la velocidad mxima V15% = 22 m/s. Que
corresponde a un perodo de retorno de 6.67 aos:
T = 1 / P% = 1 / (15/100) = 6.67 aos
Hay precisar que esta velocidad calculada corresponde solo a esta localidad donde
fue medido.
El procedimiento para las dems estaciones ubicadas en todo el pas es similar sus
clculos podemos observar en los anexos desde el No. 55 al No.95, una vez obtenido
de todas las estaciones los datos correspondientes podemos triangular e interpolar
valores para determinar las curvas de velocidades (mapa de isotacas) para la
repblica del Ecuador, mapa que ser fundamental para la obtencin de las
velocidades de viento en cualquier zona del pas
Interpretacin
Se puede observar claramente en esta estacin calculada que la velocidad de viento
mxima dentro de la categora de Beafurt se considera como DURA y esta aumenta
en funcin del perodo de retorno, que en las estructuras estn directamente ligadas
con la vida til. Esto sucede en diferentes zonas del pas y lo podremos observar en
los mapas de isotacas.
En nuestro pas se ha ignorado este fenmeno natural del viento, dando lugar a malos
diseos y como consecuencias sus respectivas fallas en los diseos estructurales
Con la tabulacin realizada y