Dieño por viento cfe 2020
Riesgo eolico
Diseño por viento de estructuras considerando el manual de la cfe de diseño por viento
contiene data de pruebas de estadisticas.
En lugar de esto, puede darse la seguridad en términos de la probabilidad de éxito
de satisfacer un criterio de desempeño En la terminología de la ingeniería, esa
probabilidad de éxito es llamada Confiabilidad
•
El reto de la ingeniería estructural es entonces maximizar la confiabilidad y
minimizar el costo total
•
Una manera alterna de visualizar el problema es considerar el desempeño
insatisfactorio del sistema En este caso, se mide entonces la probabilidad de falla
del sistema para un criterio de desempeño, por lo que esta probabilidad de falla se
denomina Riesgo Por tanto, la Confiabilidad y el Riesgo son términos
complementarios
TIPOS DE LINEAS utilizados en dibujo técnico mecánico
Diseño por viento de estructuras considerando manual de Viento
1. 1
Diseño por Viento de Estructuras
considerando el Manual de la CFE
de Diseño por Viento 2020
Instructores:
M.I. David Porras Navarro González
Dr. Luis Eduardo Pérez Rocha
M.I. Jesús Salvador García Carrera
M.I. Gualberto Hernández Juárez
2. 2
2
Presentar los criterios actuales para el diseño de estructuras por viento según el
nuevo Manual de Diseño por Viento de la CFE (Edición 2020).
Que al término del curso, que los participantes puedan aplicar de inmediato los
nuevos procedimientos en su práctica cotidiana.
Objetivo del Curso:
3. 3
• En la planeación y el diseño de los sistemas de ingeniería debe utilizarse el concepto
básico de que el suministro debe satisfacer al menos la demanda.
• El suministro expresa la capacidad o resistencia de elementos, o grupo de elementos,
del sistema.
• La demanda expresa las intensidades de peligros o amenazas naturales traducidas
como las cargas aplicadas, sus combinaciones o sus efectos.
CONCEPTOS BÁSICOS DE
CONFIABILIDAD ESTRUCTURAL
La mayoría de los parámetros relacionados con el suministro y la demanda son
cantidades aleatorias o inciertas. Por tanto, estas cantidades deberán ser identificadas
y cuantificadas para estimar sus incertidumbres.
En vista de estas incertidumbres, no se puede asegurar un desempeño totalmente
satisfactorio del sistema.
4. 4
• En lugar de esto, puede darse la seguridad en términos de la probabilidad de éxito
de satisfacer un criterio de desempeño. En la terminología de la ingeniería, esa
probabilidad de éxito es llamada Confiabilidad.
• El reto de la ingeniería estructural es entonces maximizar la confiabilidad y
minimizar el costo total.
• Una manera alterna de visualizar el problema es considerar el desempeño
insatisfactorio del sistema. En este caso, se mide entonces la probabilidad de falla
del sistema para un criterio de desempeño, por lo que esta probabilidad de falla se
denomina Riesgo. Por tanto, la Confiabilidad y el Riesgo son términos
complementarios.
5. 5
• Frecuentemente, el término de riesgo no es sólo la probabilidad de falla sino
que incluye las consecuencias de la falla.
• La evaluación de la confiabilidad o riesgo de sistemas de ingeniería necesita el
empleo de métodos de probabilidad y estadística.
• La estadística permite cuantificar matemáticamente la incertidumbre de una
variable (media, desviación estándar, coeficiente de variación, etc.), mientras
que la probabilidad utiliza la información de la estadística para calcular la
posibilidad de ocurrencia de eventos específicos.
6. 6
6
• COLAPSOS DE ESTRUCTURAS EN CANCÚN, OCTUBRE DE 2005
POR EL HURACÁN WILMA
8. 8
• Bajo un esquema probabilista, la confiabilidad de sistemas estructurales
para establecer pérdidas futuras potenciales no puede estar basado
solamente en un enfoque puramente estadístico, sino que se tiene que
recurrir a un enfoque probabilista.
• En la figura se muestra la región de traslape que representa una medida
de la probabilidad de falla para el caso simple cuando se tiene un solo
modo de falla del sistema.
S R
R (resistencia)
S,R
S (efecto de carga)
(S) dS
s
f
(R)
R
f
(S)
s
f
(S)
R
F
dS
(R)
R
f
(S)
s
f
9. 9
• La región de traslape, depende de las posiciones relativas de las Funciones
de Densidad de Probabilidad (FDP’s) que se denotan como f(x) ó f(y); por
ejemplo, la posición de la resistencia puede trasladarse siendo la diferencia
entre los valores medios un factor llamado “margen de seguridad”;
también la región de traslape depende del grado de dispersión de las
FDP’s.
Posición relativa
Grado de dispersión
11. 11
Peligros Naturales en México
Los peligros naturales están dados en términos de tasas de excedencia
La tasa de excedencia es una descripción completa de la ocurrencia
Peligros considerados:
Sismo (aceleración del terreno o estructural)
Viento (velocidad del viento)
Peligros que pueden considerarse:
Lluvia o nieve (columna de agua o nieve)
Oleaje y Tsunami (altura de ola)
Granizo (energía cinética por unidad de área)
12. 12
¿ Que se puede hacer con curvas de peligro ν(I) ?
Peligros Naturales en México
Intensidades para periodos de retorno constantes
Intensidades asociadas al diseño óptimo (costos)
Costo de las decisiones (consecuencias)
• Pérdidas por daño estructural (curvas de vulnerabilidad)
• Probabilidad de falla (Tasa de falla)
• Confiabilidad estructural
13. 13
Costo de construcción:
)
I
I
(
K
K
)
I
(
C 0
2
1
C
γ
Q)
(I)(1
C
(I)
C C
P
ν(I)
(I)
C
(I)
C
(I)
C P
C
T
Costo de pérdidas:
Costo total:
Diseño Óptimo
0.00
0.05
0.10
0.15
0.20
0.25
0.30
0 0.25 0.5 0.75
Valor de diseño
Costos
Costo inicial
Pérdidas
esperadas
Costo total
Velocidad óptima Periodo de retorno óptimo
14. 14
0
I)dI
|
y
Pr(Y
dI
d
λ(y)
ν(I)
Evaluación de pérdidas
Tasa de excedencia de las pérdidas
ν(I) = Tasa de excedencia de intensidad
λ(y) = Tasa de excedencia de daño
0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1.0
0 2 4 6 8 10
Intensity (arbitrary units)
V(I)
Less vulnerable
More vulnerable
Serie2
Serie3
Funciones de vulnerabilidad
100 años 200 años
15. 15
dI
dR
)
(R
ρ
dI
d
)
μ(R
0
F(I)
0
real
real
R
d real
ν(I)
Probabilidad de falla
= # de veces por año en que F(I) > Ω R(Id)
Tasa de excedencia de falla
0 F(I)
ΩRd
F(I)=carga o acción en función de la intensidad I
Ω R(Id) = Resistencia en función de la intensidad de diseño
)
ΩR(I
)
(I
R d
d
real
Te
)
R
(
f
d
e
1
P
Pf=Probabilidad de falla
dI
)
(I
R
F(I)
Pr
dI
d
)
μ(R
0
d
real
d
ν(I)
Max 0.0429
Min 0.0034
16. 16
El peligro por viento o amenaza es la
probabilidad de que ocurra una
intensidad en un sitio particular o
en una región, durante un periodo
de interés.
DEFINICIÓN DEL PELIGRO EÓLICO
17. 17
RIESGO POR VIENTO
El riesgo se define como la
probabilidad de ocurrir una
pérdida, o el potencial
posible de pérdida, al
ocurrir una falla del sistema.
Curvas de Farmer
Riesgo = Probabilidad del Peligro x Prob. de Vulnerabilidad x Prob. de Consecuencias
NUMERO DE A FECTA DOS
FRECUENCIA
(sucesos/año)
36. 36
VIENTOS FUERTES EN
MÉXICO
Los ciclones
tropicales se
presentan entre los
meses de mayo y
noviembre, su
desplazamiento aún
no es previsible.
37. 37
Trayectorias de desplazamiento y frecuencia anual de ciclones en el
mundo Fuente: Munich Reinsurance Company, 1990
MAPA MUNDIAL DEL PELIGRO DE VIENTOS
HURACANADOS
38. 38
TIPOS DE TORMENTAS GENERADOS POR
EL VIENTO
•Huracanes (Ciclones tropicales)
•Tormentas (vientos normales en una localidad)
•Tornados
•“Downburst”
42. 42
Presión del viento sobre estructuras
2
exp
2
1
ref
dyn
p V
C
C
C
P
(ISO 4354, 2009)
CRITERIOS DE DISEÑO POR VIENTO
2
R
rz
T
p V
F
(F
FAD
C
G
0.047
P )
(MDOC-DV, 2008)
(en Pa)
43. 43
INICIO
Clasificación de la estructura
Según su importancia:
GRUPO A, B o C
(4.1.3)
Según su respuesta:
TIPO 1, 2, 3 o 4
(4.1.4)
Determinación de la
velocidad básica de
diseño, V , y la presión
dinámica de base, q
Determinación de la velocidad regional, V
(4.2.2)
Velocidad regional para
periodo de retorno fijo
(4.2.2.1)
Velocidad regional óptima
(4.2.2.2)
Factor de exposición local, F
(4.2.3)
Factor de topografía local, F
(4.2.4)
Cambios en la rugosidad del terreno
para una dirección del viento dada
(4.2.3 Comentarios)
¿Periodo de
retorno fijo?
Cálculo de la velocidad básica de diseño, V
V = F F V
(4.2)
Determinación de
las presiones, p
Análisis de cargas estático
(4.3)
Cálculo de presiones y fuerzas
p = C K K q (4.3.2.1 a 4.3.2.12)
Cálculo del factor de corrección de densidad G y
obtención de la presión dinámica de base, q
q = 0.047 G V²
(4.2.5)
H/D 5
y
T 1 s
A
ALTO
NO
SÍ
NO
SÍ
(Véase el diagrama de flujo del
análisis de cargas dinámico, para
las estructuras Tipo 2, 3 y 4)
(Figura 4.4.1)
ESTRUCTURAS TIPO 1
(la estructura principal, la secundaria
y sus recubrimientos y sujetadores)
¿La altura de la
estructura es menor que 200 m
o con claros menores que 100 m?
ALTO
No pueden aplicarse los
procedimientos aquí
recomendados.
Consúltese a un experto.
NO
SÍ
R
T
rz
D
T rz R
D
z
z D
D
z
z p L A z
Evaluación de estados límite
Apéndice B
z
DIAGRAMA DE FLUJO DE CARGAS POR VIENTO SEGÚN EL
MDOC-DV-2008
A
ALTO
Análisis dinámico
(4.4)
Determinación
de
la
velocidad
media
Velocidad regional para
periodo de retorno fijo
(4.2.2.1)
Velocidad regional óptima
(4.2.2.2)
Estructuras
prismáticas
(4.4.4.1)
Estructuras cilíndricas
(4.4.4.2)
Torres de celosía
autosoportadas
(4.4.5.1)
Fuerza dinámica equivalente
F =p A F
Condiciones de servicio
(Apéndice B)
Cálculo de V'
V' = (F F' V )/3.6
(4.4.2)
Factor de exposición para
la velocidad media, F'
(4.4.2.1)
Factor de topografía local, F
(4.2.4)
Determinación del F
(4.4.4)
¿Periodo de
retorno fijo?
NO
SÍ
Cálculo del factor de corrección de densidad G
y obtención de la presión dinámica de base q
q = 0.047 G V²
(4.2.5)
Viene de la Figura 4.1.1
D T rz R
rz
D
T
D
AD
AD
z
z
e z
Inestabilidad aeroelástica
(4.4.7 y Apéndice B)
Vórtices
(4.4.6)
exp
Determinación
de
fuerza
dinámica
equivalente
considerando
efectos
de
amplificación
dinámica
47. 47
El periodo de retorno , T, es el tiempo promedio, para el cual la
velocidad regional puede excederse.
No debe interpretarse como la recurrencia del máximo cada T
años, sino que la probabilidad de exceder el máximo en
cualquier año es la misma.
El valor inverso del periodo de retorno es la probabilidad, p, de
que la velocidad regional sea excedida.
T = 1/p = 1/(1-F(x))
Donde F(x) es la función acumulada de la densidad de
probabilidad del peligro.
48. 48
De acuerdo a una especificación para
aerogeneradores del Instituto Alemán de la
Construcción (Marzo, 2004), define a la velocidad
máxima del viento para diseño, aquella que se
alcanza o se supera estadísticamente en promedio
una vez en T años.
49. 49
Existe una relación entre la vida útil de una
estructura, N, el periodo de retorno, T, y la
probabilidad, r, de excedencia de la velocidad
regional, al menos una vez en N años y se expresa
como:
r = 1 – (1 – 1/T)N
Esta probabilidad, r, expresa también el riesgo de
excedencia del máximo en N años
50. 50
Vida útil,
N (años)
Periodo de retorno, T (años)
10 50 100 200 40
0
800 160
0
200
0
20 88 33 18 9.5 4.9 2.5 1.2 1
30 96 45 26 14 7 4 1.9 1.5
40 98 55 33 18 9 5 2.5 2
50 99 63.
5
39.
5
22 12 6 3 2.5
100 99.
9
87 63 39 22 12 6 4.9
¿Cuál es el mejor periodo de retorno de la velocidad
de viento para reducir las pérdidas de un sistema
estructural?
51. 51
Probabilidad de excedencia y periodo de retorno
La probabilidad pe de que la velocidad de l viento
con periodo de retorno Tr se exceda en el tiempo
de exposición Texp es
54. 54
ESTACIONES METEOROLÓGICAS CONSIDERADAS PARA EL ESTUDIO
DE VIENTOS MÁXIMOS
Del SMN: 87
Nuevas: 8 con
respecto a las de
1993
Sin información: 19
Con información
continua: 68
De Laguna Verde 1
De EUA 4
De Belice 1
55. 55
14 estaciones en costa del Atlántico
16 estaciones en costa del Pacífico
ESTACIONES AFECTADAS POR HURACANES EN LAS COSTAS DEL
OCÉANO PACÍFICO Y EN EL GOLFO DE MÉXICO Y EL CARIBE
58. 58
Fisher Tipo I (Gumbel) (no acotada)
F(V) = exp{-exp [ -f (v-u)]} ; - v
Fisher tipo III (acotada en la parte superior)
F(V) = exp{ -[(w-v)/(w-u)]k } ; vw, u<w
Weibull (acotada en la parte inferior)
F(V) = 1 - exp{ -[(v-e)/(u- e)]k } ; ve , u>e
FUNCIONES DE DISTRIBUCIÓN DE
EXTREMOS
62. 62
MALLA DE PUNTOS EN MAR Y TIERRA ADENTRO PARA
DETERMINAR VELOCIDADES POR HURACANES CON EL
MODELO FLUIDO-DINÁMICO.
63. 63
Huracán Wilma
en octubre de
2005 en
el Caribe.
SUPERPOSICIÓN DE LAS VELOCIDADES DE HURACÁN CON
LOS REGISTROS DE UNA ESTACIÓN EN TIERRA
64. 64
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.
65. 65
MODELO FLUIDO-DINÁMICO PARA
DETERMINAR VELOCIDADES POR
HURACANES EN MÉXICO
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
66. 66
Cálculo de peligro
sísmico
dM
R
M
Sa
SA
dM
M
d
w
Sa j
M
M
ij
i
u
)
,
Pr(
)
(
)
(
0
)
,
(
ln
1
1
)
,
Pr(
ln
R
M
SA
Sa
R
M
Sa
SA
a
Sa es una variable aleatoria distribuida lognormalmente con mediana
SA(M,R), dada por la ley de atenuación y desviación típica del logaritmo
natural igual a
N
i
i Sa
Sa
1
)
(
)
(
a
ln
Peligro sísmico en México
67. 67
EFECTOS ESTIMADOS DE LOS HURACANES CON EL MODELO FLUIDO-
DINÁMICO EN LA COSTA DEL GOLFO DE MÉXICO Y DEL CARIBE PARA
PERIODO DE RETORNO DE 200 AÑOS
68. 68
EFECTOS ESTIMADOS DE LOS HURACANES CON EL MODELO
FLUIDO-DINÁMICO EN LA COSTA DEL OCÉANO PACÍFICO PARA
PERIODO DE RETORNO DE 200 AÑOS
73. 73
Presión del viento sobre estructuras
2
exp
2
1
ref
dyn
p V
C
C
C
P
(ISO 4354,
2009)
CRITERIOS DE DISEÑO POR VIENTO
2
R
rz
T
p V
F
(F
FAD
C
G
0.047
P )
(MDOC-DV, 2008)
(en Pa)
75. 75
Costo Inicial de
Construcción:
)
v
v
(
C
C
)
v
(
C 0
R
0
I
ν(v)
Q)
(v)(1
I
C
(v)
L
C
(v)
L
C
(v)
I
C
(v)
T
C
Pérdidas:
Costo Total:
)
v
v
(
K
1
C
)
v
(
C
0
0
I
MODELO DE DISEÑO ÓPTIMO
76. 76
Donde:
CI es el costo inicial de la construcción,
C0 es el costo de la estructura cuando no se diseña para resistir cargas
laterales debidas a la acción del viento; sin embargo, aún cuando no se
diseñe para resistir carga lateral, la estructura presentará una
“resistencia lateral gratuita”,
v0 la velocidad del viento asociada a la “resistencia
lateral gratuita”,
K y a son parámetros que dependen de las características de respuesta de
las estructuras,
CP el costo de las pérdidas esperadas que se tendrían en caso de una falla
estructural,
n(v) la tasa de excedencia de la demanda que produce la falla cuando se ha
diseñado para una velocidad de viento v, y
la tasa neta anual de descuento del valor del dinero (0.05).
Q es un factor que toma en cuenta la importancia de las pérdidas –
directas e indirectas – y del costo inicial de la construcción.
81. 81
DETERMINACIÓN DEL COSTO INICIAL
Aerogenerador Letrero Chimenea
H=42.00 m
3.00 m
2.10 m
6.00 m
3.00 m
10.00 m
P=10 kN
0.50 m
H=42.00 m
h=1.00 m
P=350 kN
3.00 m
2.10 m
Letrero
Aerogenerador Chimenea
82. 82
Curso “Los efectos del viento en estructuras”
CDMX, 20 y 21 de junio 2019
CURVAS DE COSTO INICIAL
Factores de carga y resistencia
para el diseño
Velocidades asociadas a la
resistencia lateral gratuita
(km/h)
Versión 1 Versión 2
Carga muerta 1.10 1.0
Carga viva 1.35 1.0
Resistencia 0.90 1.0
Estructura Versión 1 Versión 2
Aerogenerador 136 55
Letrero 153 60
Chimenea 190 47
83. 83
Relación de velocidades V2/V1 para Q=5
LETRERO
CHIMENEA
AEROGENERADOR
EDIFICIO
(V0= 47 km/hr)
(V0= 60 km/hr)
(V0= 55 km/hr)
(V0= km/hr)