Accion Del viento en las estructuras

FIC_UNP Estructuras de acero
INTRODUCCION
La tarea más importante que debe desempeñar un diseñador de estructuras es la
determinación precisa de las cargas que actuaran en la edificación durante la vida
útil de esta .No debe omitirse la consideración de cualquier carga que pueda llegar
a presentarse.
Dentro de las cargas que actúan en una edificación tenemos las cargas muertas y
vivas, las cargas muertas son que aquellas que permanecen constantes a lo largo
del periodo útil de la edificación, las cargas vivas cambian de lugar, de magnitud, se
mueven bajo su propio impulso, entre ellas tenemos las causadas por el viento
,sismo ,lluvia ,suelos el etc.
En este caso se va tratar exclusivamente de las cargas de viento, para poder
determinar el efecto que tienen estas en las edificaciones se debe llevar a cabo el
proceso de metrado de estas para poder construir de la manera más eficiente.
Las cargas de viento varían con la localidad geográfica, las alturas sobre el nivel del
terreno, los tipos del terreno y algunos otros factores.

II. OBJETIVOS:
 Determinar los procedimientos y los medios para obtener los valores de
las acciones producidas por el viento sobre las construcciones o sus
diferentes partes.
 Mostrar mediante ejemplos la aplicación de las cargas de viento en una
estructura.
MARCO TEORICO
1._ORIGEN DE LOS VIENTOS
Los movimientos del aire en la atmósfera se producen principalmente por
la acción de la gravedad en las masas de aire de diferente densidad. El
aire frío desciende y el caliente se ubica sobre el primero generando
un cambio de formas de energía : la potencial se convierte en cinética
Estos movimientos de las masas de aire crean corrientes de viento que
ejercen presiones sobre los obstáculos que se encuentran en su
trayectoria.

La evaluación de estos efectos se determina como la presión dinámica que
ejerce el viento tratado como un fluido la cual es convertida a una presión
estática equivalente mediante una serie de consideraciones.
III. JUSTIFICACION:
En el caso de las estructuras de acero, por su peso propio relativamente bajo ygrandes
superficies expuestas a la acción del viento, las cargas del vientopueden ser más
importantes que las cargas debidas al sismo, por lo que nopueden ser despreciadas en el
diseño.
MARCO TEORICO:
DEFINICIONES
 Acción De Conjunto Sobre Una Construcción
Resultante geométrica de todas las acciones sobre las diferentes paredes de laconstrucción;
generalmente su dirección no coincide con la del viento.
 Acción Local
Acción del viento sobre ciertas zonas de las construcciones, tales como las aristasverticales,
los aleros de las cubiertas, los ángulos entrantes o salientes de estas, etc.Se distingue
mediante coeficientes apropiados, la acción del viento particularmenteacentuada en dichas
zonas.
 Acción Resultante Total
Fuerza total ejercida sobre una superficie determinada.
 Acción Unitaria
Valor de la presión o succión que el viento ejerce sobre un elemento de superficie enuna
construcción.
 Acción Unitaria Exterior
Acción unitaria del viento sobre la cara exterior de la pared (o techo) de unaconstrucción.Cualquiera
sea la construcción, la cara exterior de sus paredes está sometida a:a) Succiones, si las paredes
están "a sotavento";b) Presiones, o succiones, si ellas están "a barlovento"

 Acción Unitaria Resultante
Suma de las acciones unitarias exterior e interior ejercidas sobre un mismo elementode
pared (o techo) de una construcción o de las ejercidas sobre las caras a barloventoy
sotavento en el caso de elementos aislados.
 Deriva
Componente horizontal de la acción de conjunto en sentido normal a la dirección delviento, que tiende a
desplazar lateralmente la construcción y, eventualmente, avolcarla.
 Empuje
Componente horizontal de la acción de conjunto en la dirección del viento, que tiendea desplazar a la
construcción y, eventualmente, a volcarla.
 Levantamiento
Componente vertical de la acción de conjunto, que tiende a levantar la construcción
y,eventualmente, a volcarla
2._CARGAS DE VIENTO EN LAS ESTRUCTUTAS
Todas las estructuras están sujetas a la acción del viento y en especial las demás
de 2 o 3 pisos de altura o en aquellas en las zonas donde la velocidad del viento es
significativa o en las que debido a su forma, son más vulnerable a los efectos
aerodinámicos. En el caso de las estructuras de acero, por su peso propio
relativamente bajo y grandes superficies expuestas a la acción del viento, las cargas
del viento pueden ser más importantes que las cargas debidas al sismo.
Acción del viento
Aunque el viento tiene naturaleza dinámica, es satisfactorio tratar al viento como
una carga estática. Se entiende mejor los factores que actúan sobre la presión
estática mediante la ecuación siguiente:
𝑝 = 𝑐 𝑝. 𝑐 𝑟 . 𝑞

Cp= Coeficiente que depende de la forma de la estructura
Cr= Coeficiente que depende de la magnitud de la velocidades de las ráfagas del
viento y de la flexibilidad vertical.
q = Intensidad de la acción dinámica del viento, donde q = 0.5 *𝜌 *𝑣2
y
𝜌 = densidad del aire;
v = velocidad del viento de diseño a la altura H sobre el suelo en la cual
p se calcula, o una altura característica de la estructura.
Flujo típico del viento alrededor de edificios
Una situación de flujo típico se ilustra en la Figura 1.4 donde el viento está
soplando sobre una cara del edificio con techo a dos aguas. Los flujos son lentos o
desacelerados a medida que se acercan al edificio, produciéndose una presión
positiva en la cara de barlovento. Creada la obstrucción, por causa del edificio, este
flujo se vuelca alrededor de las esquinas y del techo.
El flujo separado (llega a ser separado de la superficie del edificio) en estos puntos
y la baja presión, por debajo de la presión atmosférica, origina una presión negativa
o succión en los muros extremos yen cierta porción de los techos. Una gran zona de
baja presión de flujo p = Cp . Cr . q retardado es creada a sotavento del edificio, la
cual produce una succión en el muro de sotavento y a sotavento del techo.
Acción del viento sobre un techo a dos aguas
Las presiones en esta zona no son estables ni uniformes, sin embargo se ha
establecido que los flujos no se alteran apreciablemente con un cambio en la

velocidad del viento.Las presiones actuantes en un techo dependen completamente
de su inclinación; son generalmente positivas en la zona de barlovento para
inclinaciones mayores de = 30 grados pero para inclinaciones menores, la cara a
barlovento del techo puede estar sujeta a succiones severas y que alcanzan un
máximo a una inclinación de 10 grados aproximadamente. Bajo condiciones de
vientos extremos estas succiones pueden vencer el peso propio requiriéndose para
este caso, un adecuado sistema de anclaje.
Velocidad del viento:
Para el análisis estadístico de las velocidades máximas del viento, los datosbdeben ser

confiables y oficiales; en el Perú el SENAMHI es la identidad bencargada de procesar y
recoger esta información y estimar su probabilidad b de ocurrencia plasmando esta
información en mapas eólicos regionales. El diseñador debe de considerar el mapa eólico de
la zona en particular dondese construirá.

CargasdediseñoporViento:
La ocurrencia de presiones o succiones p debidas al viento en superficies verticales
horizontales o inclinadas de una edificación serán consideradas simultáneamente y
se supondrán perpendiculares a la superficie sobre la cual actúan. La carga
de viento depende de la forma. Dicha sobrecarga p sobre la unidad de superficie es
un múltiplo de la presión dinámica q y se expresa así:
𝑝 = 𝑐 𝑝. 𝑐 𝑟 . 𝑞(
𝑘𝑔
𝑚2
)
Cp = coeficiente de presión y
Cr = es un coeficiente de ráfaga (ambos son números abstractos)
q = 0.005 v2 ( kg / m2 )

en donde v está en kilómetros por hora. La velocidad básica del viento se obtendrá
de los Mapas Eólicos. En ningún caso se tomarán presiones dinámicas menores de q
= 15 kg/m2 ".Las presiones pueden ser positivas (presión) o negativas ( succión),
determinadas por un coeficiente Cp, positivo o negativo y serán consideradas como
diferenciales con relación a la presión atmosférica normal.
Las presiones pueden ser positivas (presión) o negativas ( succión), determinadas
por un coeficiente Cp, positivo o negativo y serán consideradas como diferenciales
con relación a la presión atmosférica normal. " Presiones interiores: Cuando el
porcentaje de abertura "n" de alguna de lasparedes de la construcción sea mayor
de 30% de la parte de área expuesta que corresponde a dicha planta, en adición a
las presiones o succiones
exteriores se deberán considerar presiones o succiones calculadas según la
ecuación con valores Cpi siguientes:"
Si la abertura se encuentra al lado de barlovento Cpi = 0.8
Si la abertura se encuentra al lado de sotavento Cpi = -0.5
Para valores de "n" menores de 30%, se considerarán para el cálculo de las
presiones internas los valores de Cpi más desfavorables entre los especificados

a continuación:
Si la abertura se encuentra al lado de barlovento Cpi = 0.8n/30 ± (1-n/30)
Si la abertura se encuentra al lado de sotavento Cpi = -0.5n/30 ± (1-n/30)
Si la construcción no tiene aberturas, se tomará Cpi = ± 0.3
" Coeficientes de Ráfaga: Para estructuras cuya esbeltez o dimensiones horizontales
reducidas las hacen sensibles a las ráfagas de corta duración y cuyos períodos
largos favorecen a la ocurrencia de oscilaciones importantes como por ejemplo,
edificios de relación de aspecto de 5 a 1 y con período fundamental de más de 2
segundos o con altura de más de 60 m, se recomienda usar un Coeficiente de Ráfaga
Cr = 1.7 en la ecuación

Mapa eólico del Perú
Factores aDicionales a tener en cuenta
La evaluación de las presiones ejercidas por el viento debe tener en
cuenta factores adicionales:
‐ Turbulencias

‐ Presencia de obstáculos
‐ Patrón de flujo alrededor alrededor de la edificación edificación
‐ La dirección del viento
‐ Las dimensiones de la edificación: largo, ancho y altura
‐ Las relaciones entre sus dimensiones
Obstrucción
Obstrucción + superficie inclinada
Obstrucción + superficie de mayor
inclinación
2. Efectos de viento sobre estructuras.
Para los fines de diseño, los efectos que el viento causa sobre estructuras pueden suponerse
constituidos por componentes estáticas y dinámicas, tales como las que se resumen en los
incisos 2.1 y 2.2.
2.1 Efectos estáticos.

Se entiende por efectos estáticos los siguientes:
a) Presiones medias ejercidas por el viento considerado con velocidad constante
durante intervalos de varios minutos.
b) Variaciones de presión debidas a variaciones en la velocidad de masas de aire de
dimensiones suficientemente grandes para producir incrementos significativos en las
fuerzas que rigen el diseño general de la estructura, o el local de algunas de sus
componentes.
En este inciso se incluyen solo las variaciones de velocidad que no producen
vibraciones apreciables de la estructura.
2.2 Efectos dinámicos.
Se entiende por efectos dinámicos los siguientes:
a) Vibraciones causadas por la turbulencia de la corriente de aire, es decir, por las
variaciones de velocidad en las direcciones longitudinal y transversal con respecto al
flujo.
b) Efectos de vórtices periódicos que se generan cuando la corriente de aire se ve
interferida por un obstáculo cilíndrico o prismático. Los vórtices o remolinos que se
generan poseen ejes paralelos al de la estructura que los ocasiona, y ejercen sobre
ellas fuerzas con dirección normal al flujo y al eje de la estructura. Estas fuerzas son
capaces de ocasionar vibraciones estructurales excesivas.
Inestabilidad aerolástica. Se incluyen aquí todos los problemas de vibraciones
autoexcitadas, o de estructuras que por sus características aerodinámicas pueden verse
sometidas a vibraciones, usualmente transversales o de torsión, que se excitan aún con
flujo de viento de velocidad constante, y en las que la excitación aumenta al vibrar la
estructura, en virtud de la interacción aerodinámica entre ésta y el viento
EJEMPLO DE APLICACIÓN

Se desea conocer las acciones del viento sobre una construcción tipo industrialcomercial. La
edificacióntieneunaestructuradeaceroformadaporPórticosadosaguas,correas,larguerosy
cubiertadeplanchasonduladas.
Ubicación:Lima,zonadeLurín,cercaalaCarreteraPanamericana.Dimensiones:60mx75m.Al
turadecolumnasdelPórtico:6mInclinacióndeltecho:1en12;
θ=4.8
La determinación de la acción del viento para efectos del análisis y diseño de la estructura se
harásiguiendounprocedimientorecomendadode5Pasos
Laalturamediadeltechoes:6+1/12(30/2)=7.25
La determinación de la acción del viento para efectos del análisis y diseño de la estructura se
harásiguiendounprocedimientorecomendadode5Pasos.

PASO 1: Clasificación de la Edificación y su Exposición
La zona de Lurín se puede considerar, en la actualidad, como terreno plano, tipo chacra, la
categoría de Exposición es C. La Categoría del edificio es industrial_ comercial, no se considera
una facilidad esencial en el caso de un desastre. Todo ello conduce a seleccionarla como
CategoríaI(FactordeImportancia:1.0).
PASO 2: Velocidad Básica del Viento
El Mapa Eólico indica que para la zona de Lima se espera una Velocidad Máxima del Viento
de45kph. Siguiendo la recomendación, se considerará una velocidad mínima del viento de
55kph.
PASO 3: Presiones por Velocidad
qz= 0.05Kz( (𝐼. 𝑉)2
) , I = 1.0, V = 55 kph = 151.2 K z(N/m2)
Laalturamediadeltechoes:6+1/12(30/2)=7.25
LasNormaspermitenque,silainclinacióndeltechoesmenorde
θ= 10,sepuedausarlaalturadelalerocomoh.Seusaráestaopción.
PASO 4: Presiones de diseño para el Sistema Primario de Resistencia al Viento
LosSistemasPrimariosdeResistenciaalVientoestándados,enestecaso,porlosPórticosados
Aguasdeladirecciónde60m.,ylosarriostramientosenXenlaotradirección.
SOBRE LOS PÓRTICOS A DOS AGUAS

.

SOBRE LOS ARRIOSTRAMIENTOS EN X
Las presiones del viento paralelo a la cumbre son resistidas por los arriostramientos en X.
Porotro lado las presiones interiores se cancelan. Estas presiones están asociadas para el
viento de izquierda a derecha; deben considerarse también, las presiones de derecha a
izquierda..
PASO 5 Presiones de Viento para los Componentes y los Cerramientos
En la Figura 10 se da un esquema de las presiones del viento sobre los componentes y
cerramientosdeacuerdoa suubicación sobre la estructura.Las presiones mostradas sonpara
valoresdeenvolventeparaáreastributariasde1m2omenos.

EJEMPLO 2
CALCULO DE CARGA DEBIDO AL VIENTO
Para saber como calcular la fuerza debida al viento en estructuras metalicas(armaduras) e considerado
conveniente un patio en una I.E.P a dos aguas en la ciudad de piura.
DATOS:
Su geometria y dimensiones son las indicadas en la figura.
CALCULO DE CARGA PUNTUAL POR CARGA EXTERIOR DE VIENTO:

CARGA EXTERIOR DE VIENTO
La carga exterior (presión o succión) ejercida por elviento se supondrá estática y perpendicular a la superficie so
bre la cual actúa. Se calculará mediante la expresión:
Ph = 0,005 C Vh2
Dónde:
Ph: presión o succión del viento a una altura h en Kgf/m2
C: factor de forma adimensional indicado en la Tabla 4
Vh: velocidad de diseño a la altura h, en Km/h, definida en el Artículo 12 (12.3)
TABLA 4
FACTORES DE FORMA (C) *
Ubicación: Piura
Uso : para ser usado como cubierta de patio de colegio.
Altura : brida inferior se encuentra a 6m del nivel de falso piso.
CARGA DE VIENTO
De la norma E.020 de Cargas en el acápite 3.7.3

Antes de calcular la velocidad de diseño habrá que ver la velocidad de la zona en el lugar en el mapa eólico del
Perú, la cual para ciudad de Piura es 40 km/h a una altura máximo de 10m del suelo
VELOCIDAD DE DISEÑO
La velocidad de diseño del viento hasta 10 m de altura será la velocidad Máxima adecuada a la zona de ubicación
de la edificación pero No menos de 75 Km/h. La velocidad de diseño del viento en cada altura de la Edificación
se obtendrá de la siguiente expresión.
)10/(
22.0
hVh

Dónde:
Vh: velocidad de diseño en la altura h en Km/h
V : velocidad de diseño hasta 10 m de altura en Km/h
h : altura sobre el terreno en metros
(9/10))10/(
22.022.0
Km/h40 hV Vh
=39.08 Km/h
3.7.4.-CARGA EXTERIOR DE VIENTO

Ph = 0.005 C (Vh)2
Dónde:
Ph : presión o succión del viento a una altura h en Kgf/m2
C : factor de forma adimensional indicado en la Tabla 3.7.4
Vh : velocidad de diseño a la altura h, en Km/h.
De la norma E.020
TABLA 3.7.4
FACTORES DE FORMA (C) *
CONSTRUCCION BARLOVENTO SOTAVENTO
Superficies inclinadas a 15° y
60°
+0,3
-0,7
-0,6
* El signo positivo indica presión y el negativo succión.
Superficies inclinadas de 15° a 60°
 Barlovento:
 mVP KgfC hh
22
h
2
/29.2)3.0(005.0005.0 )08.39(P 
 mPVP KgfC hhh
22
h
2
/35.5)7.0(005.0005.0 )08.39(P 
Ph
= -5.35 mKgf
2
/

 Sotavento:
mPVP KgfC hhh
22
h
2
/58.4)6.0(005.0005.0 )08.39(P 
CALCULO DEL ANCHO TRIBUTARIO:
At=6m
CALCULO DE LA CARGA DISTRIBUIDA SOBRE LA BRIBA SUPERIOR:

CARGA VIENTO
CARGAS EN LOS NUDOS PARA EVALUAR LA ARMADURA
 Para barlovento:
Nudos interiores:
𝑷𝒉𝒊 =
𝑷𝒉 ∗ 𝑨𝒕 ∗ 𝑳
𝟑
𝑷𝒉𝒊 =
𝟓. 𝟑𝟓
𝒌𝒈𝒇
𝒎 𝟐
∗ 𝟔𝒎 ∗ 𝟏𝟎. 𝟗𝟐𝒎
𝟑
= 𝟏𝟏𝟔. 𝟖𝟒𝒌𝒈
Nudos exteriores:
𝑷𝒉𝒆 =
𝟑 ∗ 𝟐
𝑷𝒉𝒆 =
𝟓. 𝟑𝟓
𝒌𝒈𝒇
𝒎 𝟐
∗ 𝟔𝒎 ∗ 𝟏𝟎. 𝟗𝟐𝒎
𝟑 ∗ 𝟐
= 𝟓𝟖. 𝟒𝟐𝒌𝒈
 Para sotavento:
Nudos interiores:
𝑷𝒉𝒊 =
𝟑
𝑷𝒉𝒊 =
𝟒. 𝟓𝟖
𝒌𝒈𝒇
𝒎 𝟐 ∗ 𝟔𝒎 ∗ 𝟏𝟎. 𝟗𝟐𝒎
𝟑
= 𝟏𝟎𝟎. 𝟎𝟑𝒌𝒈
Nudos exteriores:
𝑷𝒉𝒆 =
𝟑 ∗ 𝟐
𝑷𝒉𝒆 =
𝟒. 𝟓𝟖
𝒌𝒈𝒇
𝒎 𝟐
∗ 𝟔𝒎 ∗ 𝟏𝟎. 𝟗𝟐𝒎
𝟑 ∗ 𝟐
= 𝟓𝟎. 𝟎𝟏𝟓𝒌𝒈

Calculo de las componentes de las cargas puntuales debido a la carga exterior de viento

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