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UNIVERSIDAD NACIONAL DE MISIONES
FACULTAD DE INGENIERÍA
Cátedra: CONSTRUCCIONES METÁLICAS Y DE MADERA
Trabajo Práctico 2: ACCIONES SOBRE LAS ESTRUCTURAS
Alumnos:
Almozni, Leonardo Iván
Bogado, Gustavo Orlando
Iurinic, Gustavo Rafael
Myronow, Gustavo Damián
Vazquez, Gustavo Ariel
Año: 2010
Ejercicio Nº 1:
Definir los siguientes conceptos, indicando la nomenclatura utilizada para indicarlos;
ejemplificar y dar su valor cuando sea posible:
1. Vórtices de Kármán. Flameo. Galope.
2. Edificios de forma regular. Edificios rígidos y flexibles.
3. Edificio abierto, cerrado y parcialmente cerrado. Envolvente del edificio.
4. Sistema principal resistente a la fuerza del viento. Componentes y revestimientos.
5. Superficie a barlovento y a sotavento. Área efectiva del viento.
6. Velocidad básica del viento. Factor de importancia.
7. Fuerza de diseño. Presión de diseño.
Ejercicio 1
1. Vórtices de Kármán. Flameo. Galope.
Vórtices de Kármán
Son desprendimientos alternados de
vórtices generados en cuerpos romos (no
aerodinámicos) por la circulación del viento, a partir de un cierto número de Reynolds, y que
responden a una frecuencia propia. Estos vórtices generan fuerzas periódicas en los cuerpos
con dirección oblicua a la dirección de escurrimiento (del viento).
En el caso de estructuras sometidas a la acción del viento, además de las oscilaciones que
puede causar el desprendimiento de vórtices en la estructura que lo produce, puede ser
importante la acción sobre edificaciones elevadas ubicadas en las proximidades.
La relación entre el número de Reynolds, la frecuencia de los vórtices y la velocidad del viento,
viene dado por el número de Strouhal:
St=fs d/U
En realidad existe una faja de frecuencias que produce contribuciones aleatorias a las fuerzas
fluctuantes, sin embargo el número de Strouhal se refiere a la frecuencia predominante.
Cuando los vórtices de Kármán se debilitan, esa frecuencia predominante se pierde en las
frecuencias vecinas y puede desaparecer.
Flameo
El flameo es una inestabilidad aero-elástica por la cual una estructura al vibrar absorbe energía
del fluido circundante de tal forma que es incapaz de disipar en un ciclo de vibración toda la
energía que absorbe. La superficie sustentadora está bajo la acción de la carga inducida por la
sustentación. Una deformación le lleva a un punto donde se reduce la carga total, llevando al
ala de nuevo a la posición original restaurando la carga total y entrando por tanto en un ciclo
de vibración. Esto lleva a una situación de vibración autosostenida que puede llegar a
desgastar la estructura. Es un efecto bien conocido y en todos los aviones fabricados se trata
de asegurar que en ninguna condición de vuelo se esté durante un tiempo prolongado en la
llamada velocidad de flameo evitando así una rotura o un desgaste estructural. Otro famoso
ejemplo, es el caso del hundimiento del puente de Tacoma Narrows.
Galope
Los edificios de secciones cuadrada, rectangulares, triangulares etc, cuando son azotados por
vórtices o ráfagas que lo desequilibran, comienzan a oscilar perpendicular a la dirección del
viento. Se generan entonces fuerzas perpendiculares a la dirección del viento, que pueden
amplificar las vibraciones. Este efecto, se da comúnmente en estructuras livianas y flexibles
con formas simples.
2. Edificios de forma regular. Edificios rígidos y flexibles.
Edificios y otras estructuras de forma regular
Los edificios o estructuras que no presentan irregularidades geométricas en el espacio, o que
sus formas no son complejas en el espacio. Algunas de las estructuras de forma regular
podrían ser:
Edificios y otras estructuras flexibles
Aquellos edificios que tienen una frecuencia de oscilación propia menor a 1Hz, presentan una
baja respuesta a la acción del viento, por lo tanto se los considera flexibles. Cuando la
frecuencia del viento es mayor que 1Hz, la energía de ráfaga que transporta es pequeña, por lo
tanto se producirá una rápida disipación de la energía en caso de resonancia con la frecuencia
propia de la estructura. En cambio resonancias de baja frecuencia, producidas por frecuencias
bajas de los vientos traen aparejados grandes energias de ráfaga, por lo tanto se debe evaluar
la respuesta del edificio en esta situación.
Edificios y otras estructuras rígidos
El criterio de definición para rígido en comparación a flexible es que la frecuencia natural sea
mayor o igual que 1 Hz. Una guía general es que la mayoría de los edificios y estructuras rígidos
tienen una relación de altura respecto a su ancho mínimo menor que 4. Estos edificios
producen rápidas y pequeñas respuestas a las fuerzas generadas por la agitación de los vientos
cuando se produce resonancia.
3.
Edificio abierto, cerrado y parcialmente cerrado. Envolvente del edificio.
Edificios cerrados, abiertos y parcialmente cerrados
Estas definiciones se utilizan para evaluar los coeficientes de presión interna, dependiendo de
ello, el comportamiento del edificio en su interior al ser solicitado por el viento. El edificio
abierto está definido, igual que el parcialmente cerrado, no asi el cerrado, que se considera
cuando no cumple ninguna de las anteriores.
Edificio abierto
Un edificio que tiene cada pared abierta al menos en un 80%. Esta condición se expresa para
cada pared mediante la expresión Ao ≥ 0,8 Ag , donde:
Ao el área total de aberturas en una pared que recibe presión externa positiva en m2.
Ag el área total de aquella pared con la cual Ao está asociada, en m2.
Edificio parcialmente cerrado
Un edificio que cumple con las dos condiciones siguientes:
1. el área total de aberturas en una pared que recibe presión externa positiva excede la
suma de las áreas de aberturas en el resto de la envolvente del edificio (paredes y cubierta) en
más del 10%.
2. el área total de aberturas en una pared que recibe presión externa positiva excede el
valor menor entre 0,4 m2 ó el 1% del área de dicha pared, y el porcentaje de aberturas en el
resto de la envolvente del edificio no excede el 20%.
Estas condiciones están expresadas por las siguientes expresiones:
1. Ao > 1,10Aoi
2. Ao > 0,4 m2 ó > 0,01Ag, el que sea menor, y Aoi /Agi ≤ 0,20, siendo:
Ao el área total de aberturas en una pared que recibe presión externa positiva, en m2.
Ag el área total de aquella pared con la cual Ao está asociada, en m2.
Aoi la suma de las áreas de aberturas en la envolvente del edificio (paredes y cubiertas) no
incluyendo Ao, en m2.
Agi la suma de las áreas totales de superficie de la envolvente del edificio (paredes y cubierta)
no incluyendo Ag, en m2.
Edificio cerrado
Un edificio que no cumple con las condiciones establecidas para edificios abiertos o
parcialmente cerrados.
Envolvente del edificio
Es el cerramiento del edificio, o sea todo el materia que envuelve la estructura principal del
edificio. Entran en esta categoría: techos, revestimientos, paredes exteriores, vidriados,
puertas, ventanas, lucernas, etc.
4.
Sistema principal resistente a la fuerza del viento. Componentes y revestimientos.
Sistema principal resistente a la fuerza del viento
Son el conjunto de elementos estructurales que reciben cargas de los revestimientos y la
transmiten al suelo, brindando apoyo y estabilidad al edificio. Generalmente reciben cargas de
varios elementos de cerramiento o de los revestimientos.
Componentes y revestimientos
Al incidir el viento sobre el edificio, genera solicitaciones que son directamente recibidas por
los revestimientos, que son por ejemplo las chapas del techo o pared, los cerramientos de las
aberturas, etc. Estos revestimientos transmiten sus cargas a los componentes, como correas,
cabios, o bien directamente al sistema principal resistente a la fuerza del viento, cabreadas,
vigas, columnas, etc.
5.
Superficie a barlovento y a sotavento. Área efectiva del viento.
BARLOVENTO: zona orientada hacia la dirección del viento, o superficie donde incide
directamente el viento producioendo presión positiva.
SOTAVENTO: zona protegido del viento dominante, o superficie que no incide directamente el
viento produciendo presión negativa o succion.
Una analogía para explicar superficies a barlovento y a sotavento, lo constituye un objeto
alumbrado por una lámpara, la superficie iluminada actua como a “barlovento”, mientras la
superficie del objeto que no se encuentra alumbrado, o sombreado, constituye la superficie a
“sotavento”.
Area efectiva de viento
Es el area usada para determinar coeficientes de presión externa. Cuando calculamos
coeficientes en componentes y paneles de revestimiento, será la longitud del tramo
multiplicada por un ancho efectivo, el cual debemos considerar mayor o igual a un tercio de la
longitud del tramo. Cuando calculamos el area efectiva de elementos de sujeción de
revestimientos, nunca debemos considerar mayor que el area tributaria a un sujetador
individual.
6.
Velocidad básica del viento. Factor de importancia.
Velocidad básica del viento
Es el promedio de velocidades máximas, que con un periodo de recurrencia dado (50 años),
será igualado o superado, con una probabilidad de 2%. Esta velocidad “promedio”, se medirá
con una repetición de 3 segundos y a 10 metros de altura, en una zona abierta con
obstrucciones dispersas (exposición C).
Factor de Importancia
Es un factor de seguridad que tiene en cuenta los riesgos a la vida humana o daños a la
propiedad. Se determina en base a la categoría del edificio, y al grado de ocupación. Esto se
expresa mediante la categoría del edificio, aumentando en relación al aumento en el uso.
7.
Fuerza de diseño. Presión de diseño.
Fuerza de diseño
Es la fuerza calculada con el método de análisis de viento, y llevado a su equivalente estático,
con la cual se calcularan las fuerzas estáticas en edificios abiertos y otras estructuras.
Presión de diseño
Es la presión resultante de considerar un análisis de viento, y determinar un equivalente
estático al producido por el viento, usado para la determinación de esfuerzos sobre la
estructura.