Cargas debidas al viento

Para los puentes regulares convencionales, se recomienda calcular las fuerzas de viento de acuerdo a los registros de viento de nuestro país. En aquellos casos en que la acción del viento pueda originar fenómenos vibratorios importantes (por ejemplo: Inestabilidad aerodinámica), se deberán realizar los estudios especiales correspondientes. Los puentes colgantes son los más sensibles a las acciones del viento.

La presión ejercida por el viento incide tanto en la superestructura como en la carga viva y la infraestructura. Su dirección es variable, pero para el diseño se trabaja solo con las componentes en la dirección perpendicular al tráfico (sobre la elevación del puente) y paralela al tráfico.

Viento en la superestructura.

Estas solicitaciones vienen expresadas por unidad de superficie expuesta en elevación, es decir que esta superficie en elevación sirve para las dos componentes.

Cuando se diseña la superestructura sólo se toman en cuenta las fuerzas transversales o perpendiculares al tráfico con valores de 3.75 kN/m2 para reticulares y 2.25 kN/m2 para vigas de alma llena.

En cambio cuando se diseña la infraestructura, además de las reacciones en las dos direcciones transmitidas por la superestructura se tiene las presiones del viento aplicadas directamente en la infraestructura según se detalla en el inciso correspondiente.

Las fuerzas transversales como longitudinales transmitidas por la superestructura para diversos ángulos de la dirección del viento son las que se indican en la tabla 4.5, en los que el ángulo de esviaje es medido entre la dirección del viento y la perpendicular al eje del camino. La dirección supuesta del viento será aquella que produce los máximos esfuerzos en la infraestructura debiendo ser aplicadas simultáneamente en las dos direcciones.

En puentes corrientes con luces hasta de 50 m. se emplearán las siguientes cargas:

Viento longitudinales en la superestructura. 0.60 kN/m2

Viento transversal en la superestructura. 2.45 kN/m2

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Tabla Fuerzas del viento en la superestructura para diferentes ángulos de incidencia.

Viento en la carga viva.

Será considerada como una fuerza por metro lineal de estructura de acuerdo a la tabla.

Dichas cargas se aplican a 1.80 m. por encima de la capa de rodadura.

En puentes corrientes con luces de hasta 50 m. se emplearan las siguientes cargas.

Viento longitudinales sobre la carga viva 0.60 kN/m.

Viento transversal sobre la carga viva. 1.50 kN/m

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Tabla Viento sobre la carga viva

Viento en la infraestructura.[1]

Además de las reacciones por viento transmitidas por la superestructura se considerará una presión de 2 kN/m2 aplicadas en la dirección más desfavorable, tomando el esviajado con relación a la infraestructura, y luego se la descompone en dos direcciones una normal a la elevación de la infraestructura y otra perpendicular a ella.

La componente normal a la elevación de la pila corresponde a los esfuerzos o solicitaciones que hemos designado como longitudinales en el conjunto del puente y en este caso inciden en la cara acotada con D en la figura 4.10 , en cambio la componente frontal (transversal) actuará sobre la superficie acotada con B o según la forma de acabado de esta superficie se transmitirá por fricción en la superficie D.

En la figura se muestra la dirección más desfavorable del viento sobre una pila, de manera que provoque en esta los máximos esfuerzos.

De acuerdo a lo expuesto anteriormente, las componentes sobre la pila pueden ser deducidas en las siguientes formas:

a) Tomando como resistentes las superficies D y B:

Viento longitudinal:

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Viento transversal:

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Figura Viento desfavorable en la infraestructura.

b) Tomando como resistentes solo la superficies D:

Viento longitudinal:

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Viento transversal:

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Donde:

p = Presión del viento en la infraestructura = 2 kN/m2

L = Separación entre ejes de pilas en metros.

D = Ancho de la pila en metros.

B = Espesor de la pila en metros.

H = Altura libre de la pila entre el nivel de aguas y su coronamiento en metros.

Las unidades para FL y FT serán en Kilo-Newtons kN .

Análisis aerodinámico de puentes sostenidos por cables.[2]

La falla inducida por el viento el 7 de noviembre de 1940 del puente de Tacoma Narrows en el estado de Washington, produjo una conmoción en la profesión de la ingeniería. Muchos se sorpren­dieron al saber que la falla de puentes como resultado de la acción del viento no era algo sin prece­dentes. Durante un poco más de las 12 décadas anteriores a la falla del puente Tacoma Narrows , otros 10 puentes habían sido severamente dañados o destruidos por la acción del viento , fallas inducidas por el viento han ocurrido en puentes con luces desde 75 metros hasta 855 metros. En otros puentes «modernos» sostenidos por cables se han observado oscilaciones indeseables debidas al viento

a. Información requerida sobre el viento en el sitio del puente.

Antes de emprender cualquier estudio de inestabilidad ante el viento para un puente, los ingenie­ros deben investigar las condiciones eólicas en el sitio de la estructura. La información requerida incluye el carácter de la actividad de vientos fuertes en el sitio en un periodo de varios años. Los datos se obtienen generalmente de los registros meteorológicos locales. Sin embargo, se debe tener cuidado porque estos registros pudie­ron haberse tomado en un punto a alguna distancia del sitio, tal como el aeropuerto local o un edificio del estado. Los ingenieros deben ser también conscientes de las diferencias en las características del terreno entre el sitio de la instrumentación para el viento y el sitio de la estructura, que pueden tener una importante influencia en la interpretación de los datos.

Los datos requeridos son la velocidad del viento, su dirección y frecuencia. A partir de estos datos es posible predecir altas velocidades de viento, dirección esperada y probabilidad de ocurrencia.

Las fuerzas aerodinámicas que aplica el viento a un puente dependen de la velocidad y direc­ción del viento y del tamaño, forma y movimiento del puente. El que ocurra resonancia bajo las fuerzas del viento depende de los mismos factores. La amplitud de la oscilación que puede gene­rarse depende de la fortaleza de las fuerzas del viento (incluyendo su variación con la amplitud de la oscilación del puente), la capacidad de almacenamiento de energía de la estructura, el amorti­guamiento estructural y la duración de un viento capaz de excitar el movimiento.

La velocidad y dirección del viento, incluyendo el ángulo vertical, pueden determinarse me­diante observaciones extensas en el sitio, las cuales pueden aproximarse con un grado razonable de conservatismo con base en unas pocas observaciones locales y un estudio extenso de datos más generales. La escogencia de las condiciones de viento para las cuales debe diseñarse un puente dado, siempre pueden ser primordialmente un asunto de criterio.

Al comienzo del análisis aerodinámico, se conocen el tamaño y forma del puente. Su capacidad de almacenamiento de energía y su movimiento, que consiste esencialmente en los modos natura­les de vibración, son determinados por completo por su masa, la distribución de ésta, y las propie­dades elásticas y pueden calcularse por métodos confiables.

El único elemento desconocido es el factor que relaciona el viento con la sección del puente y su movimiento. Este factor no puede, hasta el presente, generalizarse, pero está sujeto a una determinación confiable en cada caso. Las propiedades del puente, incluyendo sus fuerzas elásti­cas y su masa y movimientos (determinando sus fuerzas inerciales), pueden calcularse y reducirse a un modelo a escala ver figura 4.12. Entonces, las condiciones del viento que abarcan todas las condiciones probables en el sitio se pueden imponer a un modelo de la sección. Los movimientos de tal mode­lo dinámico de la sección en el viento a escala apropiada deben duplicar de modo confiable los movimientos de una conveniente unidad de longitud del puente. Las fuerzas de viento y la tasa a la cual éstas pueden acumular energía de oscilación responden a la amplitud cambiante del movi­miento. La tasa de cambio de energía puede medirse y dibujarse contra la amplitud en un gráfico. Así, el ensayo con el modelo de la sección mide el único factor desconocido, que puede entonces aplicarse por cálculo a la amplitud variable del movimiento a lo largo del puente para predecir el comportamiento total de la estructura bajo las condiciones específicas de viento del ensayo. Estas predicciones no son precisas, pero son más o menos tan aproximadas como algunos otros paráme­tros del análisis estructural.

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Figura Ensayo del puente Akashi, en un túnel de Viento Aerodinámico

(Túnel de viento de la Universidad de Yokohama)

Escala: 1/100

Velocidad equivalente del viento real: 268 Km/h

Flecha horizontal: 30 m

Giro a torsión: 4º

b. Criterios para el diseño aerodinámico.

Debido a que el factor que relaciona el movimiento del puente con las condiciones del viento de­pende del sitio específico y de las condiciones del puente, no pueden escribirse criterios detallados para el diseño de secciones favorables de puente hasta que se haya acumulado una gran cantidad de datos aplicables a la estructura que va a diseñarse. Pero, en general, pueden aplicarse los siguien­tes criterios para puentes colgantes:

• Una sección con armadura de rigidización es más favorable que una sección con viga de rigidización.

• Hendiduras en el tablero y otros artefactos que tienden a romper la uniformidad de la acción del viento tienden a ser favorables.

• Es aconsejable el uso de dos planos de sistema lateral para formar una armadura de rigidez de cuatro lados porque puede favorecer el movimiento torsional. Tal diseño inhibe fuertemente el aleteo y también eleva la velocidad crítica de un movimiento puramente torsional.

• Para una sección dada de puente, una alta frecuencia natural de vibración por lo general es favorable:

Para luces cortas y moderadas, un incremento útil de frecuencia, si es necesario, puede conseguirse al aumentar la rigidez de la armadura (aunque no se ha definido con precisión. puede considerarse que las luces moderadas incluyen longitudes desde unos 300 metros hasta aproximadamente 550 metros).

Para luces largas, no es económicamente posible obtener ningún aumento material de la fre­cuencia natural de los modos verticales por encima de los inherentes a la luz y a la flecha del cable.

Debe considerarse la posibilidad de que para las luces largas en el futuro, con sus inevitables bajas frecuencias naturales, las oscilaciones debidas a características aerodinámicas desfavora­bles de la sección transversal, puedan ser más prevalentes que para los puentes de luz moderada.

• En la mayor parte de los sitios de puentes, el viento puede ser quebrado, esto es. puede ser no uniforme a través del sitio, inestable y turbulento. Así. una condición que pudiera causar serias oscilaciones no dura lo suficiente para llegar a generar una amplitud objetable. Sin embargo. debe tenerse en cuenta que:

Existen sin duda sitios en donde los vientos en ciertas direcciones son inusualmente estables y uniformes.

Existen secciones de puentes sobre las cuales cualquier viento, sobre un amplio intervalo de velocidad, continuará hasta generar algún modo de oscilación.

• Un aumento en la rigidez producido por un aumento de peso aumenta la capacidad de la es­tructura para almacenar energía sin aumentar la tasa a la cual el viento puede contribuir con la energía. El efecto es un aumento en el tiempo requerido para generar una amplitud objetable. Esto puede tener un efecto benéfico mucho mayor que el sugerido por el aumento porcentual en el peso, debido a la rápida reducción de la probabilidad de que el viento continúe sin cambio por una mayor duración. El aumento de rigidez puede producir un aumento en el amortigua­miento estructural y otros resultados favorables.

Aunque no pueden darse criterios más específicos que los anteriores, es posible diseñar un puente colgante con un alto grado de seguridad contra las fuerzas aerodinámicas. Esto involu­cra el cálculo de los modos naturales de movimiento de la estructura propuesta, la ejecución de ensayos de modelos dinámicos de la sección para determinar los factores que afectan el comportamiento, y la aplicación de estos factores al prototipo mediante análisis apropiado.

En la mayoría de los puentes de luces grandes construidos desde el colapso del puente de Tacoma, se han seguido los procedimientos anteriores y se han incorporado provisiones espe­ciales en el diseño para los efectos aerodinámicos. Los diseñadores de estos puentes por lo general han favorecido las armaduras de rigidez sobre las vigas de rigidez. El segundo puente de Tacoma Narrows, el de Forth Road y el de los estrechos de Mackinac, por ejemplo, incorporan altas armaduras de rigidez con arriostramiento tanto superior como inferior, formando una armadura espacial para la torsión. Los puentes de Forth Road y el de los estrechos de Mackinac tienen tableros con hendiduras. Sin embargo, el puente Severn tiene una viga de rigidez aerodi­námica en cajón cerrado y péndolas inclinadas. En algunos diseños se incorporan tirantas longi­tudinales de cable, tirantas de torre o incluso tirantas diagonales transversales (puente de Deer Isle). Algunos tienen tirantes extremos no cargados. Otros tratan de aumentar el amortigua­miento estructural mediante fricción o medios viscosos. Todos han incluido estudios dinámicos de modelos como parte del diseño.

La acción aerodinámica de los puentes atirantados es menos severa que la de puentes colgantes, debido a la rigidez mayor producida por los cables tensados y el amplio uso de tableros con cajones de torsión.

Cargas debidas al viento Rating: 4.5 Diposkan Oleh: Ing. Civil

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