PELIGRO POR VIENTO EN MÉXICO Y EFECTOS … · PELIGRO POR VIENTO EN MÉXICO Y EFECTOS ESTÁTICOS...

Instituto de Investigaciones EléctricasSociedad Mexicana de Ingeniería Estructural

DISEDISEÑÑO EO EÓÓLICO DE ESTRUCTURASLICO DE ESTRUCTURAS

Dr. Alberto López López

PELIGRO POR VIENTO EN MPELIGRO POR VIENTO EN MÉÉXICO Y XICO Y EFECTOS ESTEFECTOS ESTÁÁTICOS DE ESTRUCTURASTICOS DE ESTRUCTURAS

Presentar el peligro por viento en México y los criterios para el diseño estático de estructuras

contra la acción del viento con base en el MDOC-Diseño por Viento

OBJETIVOOBJETIVO

ÍÍNDICE (Parte 1)NDICE (Parte 1)

• Introducción

• Clasificación de las estructuras según su importancia y su respuesta

• Efectos del viento que deben considerarse

• Procedimientos para determinar las acciones por viento

• Determinación de la velocidad de diseño

• Categorías de terrenos y clases de estructuras

• Velocidad regional. Mapas de isotacas

• Factor de topografía

• Factor de exposición

• Factor de rugosidad y altura

• Factor de tamaño

• Velocidades óptimas regionales

ÍÍNDICE (Parte 1)NDICE (Parte 1)

FENFENÓÓMENOS QUE MENOS QUE GENERAN AL VIENTOGENERAN AL VIENTO

INTRODUCCIÓN

La “torre de los vientos” de más de 2000 años de edad que se halla al pie de la Acrópolis en Atenas, asigna diferentes dioses del viento a cada uno de los ocho puntos cardinales.

El Dios más temido era “Boreas”, muy frío y tormentoso, que soplaba del norte.

Efecto de la variación de la temperatura con la altura sobre el nivel del mar

Ejemplo de experimento para demostrar la circulación de la atmósfera como resultado de variaciones de la temperatura.

Si las columnas de aire se representan como columnas sobre el ecuador y sobre los polos, se tiene entonces el

proceso de circulación de la atmósfera en la tierra.

La rotación de la tierra genera sobre las partículas de aire efectos centrífugos que inducen movimiento.

Falla del puente Tacoma en los E.U.A.

• Huracanes (Ciclones tropicales)

• Tormentas (vientos normales en una localidad)

• Tornados

• “Downburst”

Tipos de tormentas que Tipos de tormentas que generan al vientogeneran al viento

Trayectorias de desplazamiento y frecuencia de ciclones en el mundoFuente:

Munich Reinsurance Company, 1990

Mapa mundial del peligro de vientos huracanadosMapa mundial del peligro de vientos huracanados

Vientos fuertes en MVientos fuertes en Mééxicoxico

INSTRUMENTOS PARA INSTRUMENTOS PARA LA MEDICILA MEDICIÓÓN DE LA N DE LA

VELOCIDAD DEL VIENTOVELOCIDAD DEL VIENTO

AnemAnemóómetros de presimetros de presióónn

AnemAnemóómetros de rotacimetros de rotacióónn

AnemAnemóómetros de medicimetros de medicióón de rn de rááfagasfagas

Tipos de registrosTipos de registros

EFECTO DEL LAPSO DE EFECTO DEL LAPSO DE PROMEDIACIPROMEDIACIÓÓN Y N Y

FACTOR DE RFACTOR DE RÁÁFAGAFAGA

Gráfica para convertir velocidades de 10 minutos a 3 segundos

CLASIFICACICLASIFICACIÓÓN DE LAS N DE LAS ESTRUCTURASESTRUCTURAS

GRUPO A PR = 200 Años Grado de seguridad elevado Minimizar pérdidas de vidas y económicas Peligro significativo Importancia por su funcionamiento

GRUPO B PR = 50 Años Grado de seguridad medio Pérdidas de magnitud intermedia Ponen en peligro a las del Grupo A Su falla no interrumpe procesos

GRUPO C PR = 10 Años Grado de seguridad bajo Recubrimientos si no causan graves daños Estructuras temporales

ClasificaciClasificacióón segn segúún la importancian la importancia

TIPO 1 Empujes mediosPoco sensibles a ráfagas y efectosdinámicosH/b < 5.0T < 1 seg

TIPO 2 Emp. Dinámicos en dir. delvientoSensibles a ráfagas de corta duraciónH/b > 5.0T > 1 seg

ClasificaciClasificacióón segn segúún la respuestan la respuesta

TIPO 3 Vibraciones transversalesVibraciones transversales por vórtices(est. cilíndricas o prismáticas)

TIPO 4 InestabilidadInestabilidad aeroelástica

ClasificaciClasificacióón segn segúún la respuestan la respuesta

EFECTOS DEL VIENTO QUE EFECTOS DEL VIENTO QUE DEBEN CONSIDERARSEDEBEN CONSIDERARSE

Efectos Efectos longitudinaleslongitudinales

Vibraciones transversales al Vibraciones transversales al flujo de vientoflujo de viento

PROCEDIMIENTOS PARA PROCEDIMIENTOS PARA DETERMINAR LAS DETERMINAR LAS

ACCIONES POR VIENTOACCIONES POR VIENTO

Respuesta ante carga armRespuesta ante carga armóónicanica

FACTOR DE AMPLIFICACIÓN

0

5

10

0 1

ω/ωn

HRespuesta ante carga armRespuesta ante carga armóónicanica

=

+PRESIÓN DEL VIENTO

-1.5

-1

-0.5

0

0.5

1

1.5

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4

t ( se g)

+PRESIÓN DEL VIENTO

-1.5

-1

-0.5

0

0.5

1

1.5

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4

t ( se g)

… +

PRESIÓN DEL VIENTO

-1.5

-1

-0.5

0

0.5

1

1.5

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4

t ( se g)

Respuesta Respuesta fluctuantefluctuante

Respuesta fluctuanteRespuesta fluctuante

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ +=

+=

RgR

gRR

R

R

σσ

1

Factor de respuesta dinFactor de respuesta dináámicamica

ωωω

σ dSk

Hpx ))((

)(

02

22 ∫

∞

=

EFECTO DE LA TURBULENCIAEFECTO DE LA TURBULENCIA ENEN ESTRUCTURASESTRUCTURAS

Respuesta fluctuanteRespuesta fluctuante

MDOCMDOC-- DiseDiseñño por o por

VientoViento

PresiPresióón del viento sobre estructurasn del viento sobre estructuras

2exp2

1 VCCCP dynfigρ=

(ISO 4353, 1997)

VD = FT Fα VR

DeterminaciDeterminacióón de la n de la velocidad de disevelocidad de diseññoo

FACTOR DE TOPOGRAFFACTOR DE TOPOGRAFÍÍAA

Sitios Topografía FTBase de promontorios y faldas de serranías del lado de sotavento. 0.8

ProtegidosValles cerrados. 0.9

NormalesTerreno prácticamente plano, campo abierto, ausencia de cambios topográficos importantes, con pendientes menores que 5%.

1.0

Terrenos inclinados con pendiente entre 5 y 10%, valles abiertos y litorales planos. 1.1

Expuestos Cimas de promontorios, colinas y montañas, terrenos con pendientes mayores que 10%, cañadas cerradas y valles que formen un embudo o cañón, islas.

1.2

Efecto de la topografEfecto de la topografííaa

Efectos topogrEfectos topográáficos ficos localeslocales

PERFILES DE VELOCIDADPERFILES DE VELOCIDAD

VariaciVariacióón de la velocidad con la alturan de la velocidad con la altura

Fα = FC Frz

Factor de exposiciFactor de exposicióón,n, Fα

Factor de rugosidad y altura, Factor de rugosidad y altura, Frz

δ

δδ

δα

α

≥

<<⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

≤⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

zsi1.56)( =

z10siz 1.56)( =

10mzsi10 1.56)( =

rz

rz

rz

F

F

F

δ

δδ

δ

α

α

α

α

α

≥

<<⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

≤⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

zsi1.56*F =

z10siz 1.56*F =

10mzsi10 1.56*F =

C

C

C

F

F

F

Factor de exposiciFactor de exposicióónn

CLASES DE ESTRUCTURAS Y CLASES DE ESTRUCTURAS Y CATEGORCATEGORÍÍAS DE TERRENOSAS DE TERRENOS

Clases de Estructura Fc

A 1.0

B 0.95

C 0.90

Clases de estructura Clases de estructura Factor de tamaFactor de tamañño, o, FcFc

CA

T

.

DESCRIPCION EJEMPLOS LIMITACIONES

1 Terreno abierto, prácticamente plano y sin obstrucciones.

Franjas costeras planas, zonas de pantanos, campos aéreos, pastizales y tierras de cultivo sin setos o bardas alrededor. Superficies nevadas planas.

La longitud mínima de este tipo de terreno en la dirección del viento debe ser 2000m.

2 Terreno plano u

ondulado con pocas obstrucciones.

Campos de cultivo o granjas con pocas obstrucciones tales como setos o bardas alrededor, árboles y construcciones dispersas.

Las obstrucciones tienen alturas de 1.5 a 10 m en una longitud mínima de 1500 m.

3 Terreno cubierto por numerosas obstrucciones estrechamente espaciadas.

Áreas urbanas, suburbanas, o cualquier terreno con numerosas obstrucciones estrechamente espaciadas. El tamaño de las construcciones corresponden al de las casas y viviendas.

Las obstrucciones presentan alturas de 3 a 5 m. La longitud mínima de este tipo de terreno en la dirección del viento debe ser de 500 m ó

10 veces la altura de la construcción, la que sea mayor

4 Terreno con numerosas obstrucciones largas, altas y estrechamente espaciadas.

Bosques, centros de grandes ciudades y complejos industriales bien desarrolla-dos.

Por lo menos el 50% de los edificios tiene una altura mayor que 20 m. Las obstrucciones miden de 10 a 30 m de altura. La longitud mínima de este tipo de terreno en la dirección del viento debe ser la mayor de entre 400 m y 10 veces la altura de la construcción.

CategorCategoríías del terrenoas del terreno

CLASE ACategoría de Terreno

1 2 3 4

α 0.099 0.128 0.156 0.170

δ 245 315 390 455

Variables del factor de exposiciVariables del factor de exposicióónn

MAPAS DE ISOTACAS Y MAPAS DE ISOTACAS Y VELOCIDAD REGIONALVELOCIDAD REGIONAL

ESTACIONES ESTACIONES METEOROLMETEOROLÓÓGICAS EN TIERRA GICAS EN TIERRA

Del SMN: 87Nuevas: 8 con respecto a las de 1993Sin información: 19Con información continua: 68De Laguna Verde 1De EUA 4De Belice 1

Estaciones MeteorolEstaciones Meteorolóógicas consideradas para el gicas consideradas para el Estudio de Vientos MEstudio de Vientos Mááximos, 2006ximos, 2006

16 estaciones en costa del Pacífico14 estaciones en costa del Atlántico

Estaciones afectadas por huracanes en las costas del Estaciones afectadas por huracanes en las costas del OcOcééano Pacano Pacíífico y en el Golfo de Mfico y en el Golfo de Mééxico y el Caribexico y el Caribe

NOMBRE: PUERTO PROGRESO

NÚMERO DE OBS: 31023

LATITUD: 21º 30'

LONGITUD: 89° 65'

ALTITUD A NIVEL DE MAR: 8 METROS

Datos de la estaciDatos de la estacióón meteoroln meteorolóógicagica

Tarjeta de Resumen de Vientos Máximos Extremos mensual y anual.

ProgresoProgreso

Número consecutivoNúmero del observatorio

Año de AnálisisMes de Análisis

Día de Análisis

Velocidad Máxima del viento

Número de días del mes -1

Dirección del viento

Base de datos de Vientos mBase de datos de Vientos mááximosximosobtenidos en las oficinas del SMNobtenidos en las oficinas del SMN

α f t

0.15 1.00

N

α f t

0.24 1.05

1981 2006

α f t

0.14 1.00

E

α f t

0.24 1.00

1981 2006

α f t

0.14 1.00

S

α f t

0.22 1.05

1981 2006

α f t

0.15 1.00

W

α f t

0.23 1.00

1981 2006

Fisher Tipo IF(V) = exp{-exp [ -φ

(v-u)]} ; -∞≤

v ≤∞

Fisher tipo IIIF(V) = exp{ -[(w-v)/(w-u)]k } ; v≤w, u<w

WeibullF(V) = 1 - exp{ -[(v-ε)/(u- ε)]k } ; v≥ε

, u>ε

Funciones de distribuciFunciones de distribucióón de extremosn de extremos

Ajuste de valores extremos Ajuste de valores extremos para la estacipara la estacióón Progreso n Progreso

ESTACIONES ESTACIONES METEOROLMETEOROLÓÓGICAS GICAS VIRTUALES EN MARVIRTUALES EN MAR

Malla de puntos en mar y tierra adentro para determinar velocidades por huracanes con el modelo fluido-dinámico.

Archivo tipo, con la información histórica de registros de huracanes desde 1851 a 2005 en las costas del Golfo de México y del Caribe y de 1949 al 2005 en las costas del Océano Pacífico.

Modelo FluidoModelo Fluido--DinDináámico para determinar mico para determinar velocidades por huracanes en Mvelocidades por huracanes en Mééxico xico

Se realiza una reconstrucción histórica de los vientos ciclónicos en ambas costas de México. El modelo caracteriza el campo de vientos ciclónicos considerando principalmente los factores siguientes:

• Presión central mínima del huracán• Velocidad de traslación• Latitud donde transcurre su trayectoria• La cercanía y forma de tierra firme• Balance radial de fuerzas de presión, de inercia y de Coriolis• Radio de vientos máximo del huracán• El gradiente radial de presiones es constante por lo que las

diferencias de variables en la capa límite atmosférica con respecto a alturas gradientes no es significativa

• La orografía cuando el huracán entra tierra adentro

Superposición de los efectos en una estación determinada.

Velocidades estimadas debidas a los huracanes Velocidades estimadas debidas a los huracanes en la costa del Golfo de Men la costa del Golfo de Mééxico y del Caribexico y del Caribe

Velocidades estimadas debidas a los huracanes Velocidades estimadas debidas a los huracanes en la costa del Ocen la costa del Océéano Pacano Pacííficofico

DISEDISEÑÑO O ÓÓPTIMO POR VIENTOPTIMO POR VIENTO

¿Cuál es el mejor periodo de retorno de la velocidad de viento para reducir las pérdidas de un sistema estructural?

Presiones del viento sobre estructurasPresiones del viento sobre estructuras

Costos deConstrucción:

α−+= )vv(CC)v(C 0R0I

γν

+=)v()Q1)(v(C)v(C IP

)v(C)v(C)v(C PIT +=

Pérdidas:

Costo Total:

α−+= )vv(K1C

)v(C0

0

I

Modelo de DiseModelo de Diseñño o ÓÓptimoptimo

0.00

0.05

0.10

0.15

0.20

0.25

0.30

0 0.25 0.5 0.75

Valor de diseño

Cos

tos

Costo inicial

Pérdidasesperadas

Costo total

RepresentaciRepresentacióón grn grááfica del modelo fica del modelo óóptimoptimo

Velocidades del viento seleccionadas como valores Velocidades del viento seleccionadas como valores óóptimos de ptimos de restriccirestriccióón para el problema de optimacin para el problema de optimacióón y para estructuras comunesn y para estructuras comunes

Sitio Velocidad del viento (km/h) Cd. de México 118

Cancún 195 La Paz 163

Sitio Q Nivel de suavizado-02

Nivel de suavizado-05

Nivel de suavizado-10

Cd. de México 10 148 144 142 Cancún 10 248 248 246 La Paz 10 210 212 212

Cd. de México 100 160 156 154 Cancún 100 338 336 336 La Paz 100 268 272 272

Velocidades del viento Velocidades del viento óóptimas calculadas para los sitios de referencia, ptimas calculadas para los sitios de referencia, considerando tres niveles de suavizado sobre los datos de peligrconsiderando tres niveles de suavizado sobre los datos de peligro por o por viento y dos valores de importancia estructural dados por Q = 10viento y dos valores de importancia estructural dados por Q = 10,100,100

Soluciones Soluciones óóptimas para Cancptimas para Cancúúnn

Velocidades Velocidades óóptimas para Q = 10 y nivel de suavizado 2ptimas para Q = 10 y nivel de suavizado 2

Velocidades Velocidades óóptimas para Q = 100 y nivel de suavizado 2ptimas para Q = 100 y nivel de suavizado 2

Tel directo y fax: +52 777 362 38 [email protected],

www.iie.org.mx.

• Presión dinámica de base y presión actuante sobre una construcción determinada

• Análisis Estático

• Fuerzas sobre construcciones cerradas

• Coeficientes de presión para distintas construcciones

22a Partea ParteINDICE 2INDICE 2


www.iie.org.mx.

2

21 VP ρ=

PRESIPRESIÓÓN DEL VIENTON DEL VIENTO


www.iie.org.mx.

• DENSIDAD DEL AIRE

•Altura sobre el nivel del mar

•temperatura

• VELOCIDAD DEL VIENTO

• FORMA DE LA ESTRUCTURA

• DIMENSIONES

• EFECTOS DINÁMICOS

FACTORES QUE AFECTAN LA FACTORES QUE AFECTAN LA PRESIPRESIÓÓN POR EL VIENTON POR EL VIENTO


www.iie.org.mx.

200480 Dz G V.= q

2

21 VP ρ=

PRESIPRESIÓÓN DINN DINÁÁMICA DE BASEMICA DE BASE


www.iie.org.mx.

τ + 273 0.392 = ΩG

( )( )Catemperatur

Hgmmabarométricpresión°=

=Ωτ

FACTOR DE PRESIFACTOR DE PRESIÓÓN Y TEMPERATURAN Y TEMPERATURA


www.iie.org.mx.

Altitud Presión barométrica

(msnm) (mm

de Hg)

0 760

500 720

1000 675

1500 635

2000 600

2500 565

3000 530

3500 495

FACTOR DE PRESIFACTOR DE PRESIÓÓN Y TEMPERATURAN Y TEMPERATURA


www.iie.org.mx.

PRESIPRESIÓÓN N BAROMBAROMÉÉTRICATRICA


www.iie.org.mx.

HHG

288 = ++

PRESIPRESIÓÓN N BAROMBAROMÉÉTRICATRICA


www.iie.org.mx.

zpz q = Cp

PRESIPRESIÓÓN ESTN ESTÁÁTICA DEL VIENTOTICA DEL VIENTO SOBRE LAS ESTRUCTURASSOBRE LAS ESTRUCTURAS


www.iie.org.mx.

Edificios yConstrucciones

cerradas

Diferentes tipos de estructurasDiferentes tipos de estructuras

Letreros ymuros aislados

Estructurasreticulares

Cubiertas Circulares


www.iie.org.mx.


Silos y tanques Torres de celosía


www.iie.org.mx.

Chimeneas Tanqueselevados

Torres de Telecomunicaciones Cubiertas flexibles



www.iie.org.mx.

Factores de presiFactores de presióónn Cp o o de arrastrede arrastre Ca

Revisar el Manual de Diseño por Viento para estos aspectos


www.iie.org.mx.

Cuerpos sCuerpos sóólidos aerodinlidos aerodináámicos y prismmicos y prismááticosticos


www.iie.org.mx.

Efectos del flujo del viento sobre obstEfectos del flujo del viento sobre obstááculosculos


www.iie.org.mx.

Variación del Cpe como función de diferentes relaciones para edificaciones de sección rectangular, cubierta sin inclinación, y alturas de 50m, 100m y 150m.

Muro de Barlovento

0.50

0.55

0.60

0.65

0.70

0.75

0.80

0.85

0.90

0 1 2 3 4 5 6 7 8

d/b (MDOC, Australian, Japón), H/D (BS), (h/d) EUROCODE, h/W (India), H/D (Canadá), L/B ASCE

Cpe

Británica

MDOC, Australia, ASCE, Japón (coincidentes), Canadá

EUROCODE India

Canadá

ComparaciComparacióón de coeficientes de presin de coeficientes de presióónn

PELIGRO POR VIENTO EN MÉXICO Y EFECTOS … · PELIGRO POR VIENTO EN MÉXICO Y EFECTOS ESTÁTICOS...

Documents

Transcript of PELIGRO POR VIENTO EN MÉXICO Y EFECTOS … · PELIGRO POR VIENTO EN MÉXICO Y EFECTOS ESTÁTICOS...