Obtención de registros en estructuras de hormigón

El viento es un elemento climático definido como “el aire en movimiento” y se describe por dos características:

- La velocidad

- La dirección

Debido a esto se considera el viento como un vector con magnitud (dada por la velocidad) y dirección, existen dos métodos para medir la velocidad del viento en estaciones climáticas:

1. Sensoriales. Se efectúan por medio de los sentidos, principalmente de vista. Por ejemplo cuando podemos detectar la cantidad nubes en el cielo.
2. Instrumental. Aparatos especiales que registran velocidades máximas horarias.

Fuerza Beaufort	Nombre	Equivalencia de la velocidad	Características para la estimación de la velocidad
m/s	Km./h
0	Calma	0 - 0.2	1	El humo se eleva verticalmente
1	Ventolina	0.3 – 1.5	1 – 5	La dirección de viento por el movimiento
2	Brisa muy débil	1.6 – 3.3	6 – 11	El viento no se percibe en el rostro
8	Viento bajo	17.2 – 20.7	62 – 74	El viento rompe las ramas
9	Viento medio	20.8 – 24.4	75 – 88	El viento ocasiona ligeros daños en las estructuras de hormigón
10	Viento muy duro	35 o mas	125 o mas	Importantes daños en estructuras

Tabla Escala beafort

Estimación de vientos en estructuras de hormigón

En este punto de análisis, si la característica dinámica de la estructura y en particular la “función de transferencia mecánica” es conocida, el espectro de respuesta (amplitud del modo de vibración considerado), puede ser determinado. Según Davenpot la “curva de resonancia “, La respuesta resultante del espectro, es máxima en la frecuencia natural. Davenpot mostró que el promedio de la respuesta más grande durante un periodo de la respuesta más grande durante un periodo T es dado por:

Y_{max =} Y + g σ_y

Donde:

Y = respuesta medio de viento medio

Parámetros generales con cargas dinámicas de viento

Las condiciones atmosféricas, características topográficas alrededor de la estructura, características dinámicas y geométricas de la misma deberán ser seleccionadas adecuadamente para el análisis del movimiento de la interacción viento y el hormigón estructural.

Velocidad de aire media de diferentes rugosidades

El viento es un elemento climatológico que varia con la altura, es así que cerca del nivel de suelo, debido a la fricción con este la velocidad es nula, gracias a un sin numero de pruebas de campo y estudios de laboratorio puedo obtener el verdadero comportamiento del viento al imponerse una estructura regular, así que se observan dos grandes parámetros, uno compuesto de viento estable el cual varia logarítmica y exponencialmente con la altura, y otro que es la variación abrupta (ráfaga) de este que causa la agitación de la estructura que se interpone.

a) La teoría de la longitud mezclada proporciona un poder de variación bajo la velocidad promedio con la altura, como sigue.

V_{z =} V₁₀ (h/ 10)^ά

Donde:

V_z = Es la velocidad para cada nivel deseado.

h = Altura de la estructura en diferentes niveles.

V ₍₁₀₎ = Velocidad de viento a 10 m por encima del suelo.

ά = Coeficiente adimensional

b) Teoría de balance de energía aquí se considera que el flujo del viento, bajo estratificación neutral, reduce la energía turbulenta a una condición de flujo de calor cero, y un perfil de viento logarítmico es obtenido para computar la velocidad promedio del viento en diferentes alturas dados por:

V_z = ů_o/ k_o ln (Z – Z_d / Z_o)

Donde:

ů_o = Velocidad de fricción = √ ۲/ ρ

k_o = Constante de von Karma, igual a 0.4

Z_d = Longitud de desplazamiento

Z_o = Longitud de rugosidad

Z = La altura a diferentes alturas

Valores para parámetros Z_d y Z_o son datos en la Tabla

Estudios estadísticos cuidadosos son hechos para definir la velocidad promedio, o características de velocidad de datos obtenidos en estaciones climatológicas valores estadísticos extremos son generalmente usados para definir velocidades de viento con el mismo periodo del terreno, la velocidad de viento esta dado por:

F (Vi) = e^{-(Vi + B)-y} [6.4]

Donde:

F (Vi) = Probabilidad de ocurrencia de Vi

Vi = Velocidad del viento en el nivel i

Β, γ = Parámetros estadísticos

	Tipo de expresión	Exponente para ley de poder, ά	Coeficiente de superficie de rugosidad
Ley exponencial	Con pocos obstáculo
Ley exponencial	Superficies con obstáculos de 10 a 15 m en altura uniformemente distribuida	0.28	0.015 – 0.005
Ley exponencial	Centro de ciudades	0.4	0.030 – 0.050
Tipo de expresión	Tipo de exposición	Zo(m)	Zd
Ley logarítmica	Terrenos abiertos a costas	0.005 – 0.01	0
Ley logarítmica	Terrenos abiertos sin obstáculos	0.03 – 0.10	0
Ley logarítmica	Pequeñas ciudades sub. Urbanas	0.20 – 0.30	0
Ley logarítmica	Centros de pequeñas ciudades	0.35 – 0.45	0
Ley logarítmica	Centros de grandes ciudades	0.60 – 0.80	0.75

Tabla. Coeficientes para las diferentes teorías para estimación de viento

A trabes de Β, γ (conocidos del sitio), es posible definir el promedio de las velocidades de viento para diferentes periodos de retorno, R. Esto es común en ingeniería, para seleccionar por ejemplo:

- Estructuras sin riesgo R = 5 años.

- Para estructuras permanentes, R = 30 años

- Para estructuras después del desastre R = 100 años

Características de flujo de aire

Los movimientos generados por vientos fuertes pueden generar vientos laminares o turbulentos, dependiendo en que flujo nos encontramos. Se desarrollara diferentes procedimientos de solución para edificios según el flujo en que nos encontramos, En las normas señalan certeramente las características de esbeltez como parámetro de diferenciación para el uso del método elástico o dinámico, ya que es una buena manera también incluir las características de flujo debido a que el numero de Reynolds, que separa las características atmosféricas depende del área de la estructura dependiendo al flujo de aire.

- Flujo de aire en rangos de 10⁴ < Re > 10⁵

- Flujo turbulento Re > 10⁵

Donde Re representa el numero de Reynolds, el cual se define como “la relación adimensional entre las fuerzas inerciales las de viscosidad”.

Aire atmosférico y su efecto patológico

Entre las principales agentes perjudiciales al hormigón, el aire atmosférico suele ser medio de transmisión como el bióxido de carbono (CO₂) procedentes de los procesos de combustión, los cloruros originarios del agua del mar que se hallan en suspensión en el aire marítimo, y las sustancias químicas y gases de diversa naturaleza que son descargados a la atmósfera a través de las chimeneas de las inhalaciones industriales.

La influencia que ejercen los cloruros en la corrección de los aceros de acuerdo a la información a cerca de ambiente marítimo en contacto con las superficies del hormigón presenta contenidos de cloruro tan altos como 0.20 mg de cloruro de sodio por cm² de superficie expuesta, y esto lo convierte al medio ambiente de alto riesgo para la corrección del acero refuerzo de las estructuras construidas en las costas.

Fuerzas patológica de viento estructural

Las oficinas meteorológicas clasifican los vientos de acuerdo con la velocidad de estos, que además se puede medir con facilidad.

- Una brisa puede tener una velocidad de 6 Km. /hr

- Un viento fuerte de 50 a 60 Km. /hr

- Un huracán puede alcanzar una velocidad de 160 Km. /hr

De una manera general se recomienda para el cálculo las siguientes velocidades de viento:

1. Sobre un plano vertical totalmente expuesto al viento, por ejemplo en la cima de un cerro de un alto edificio con vista directa al mar: 160 Km./hr

2. En la fachada del mismo edificio, si da hacia una calle abierta de una ciudad sujeta a vientos fuertes: 75 Km./hr

3. A una altura normal no muy alto en una ciudad: 35 Km./hr

4. Experimentalmente se ha determinado que sobre un plano vertical, el empuje unitario e de un viento cuya velocidad es v expresada en Km./hr, varia entre 0.0075 v² y 0.0092 v² Km./m²

De manera que para el caso se recomienda usar la formula intermedia.

e = 0.0083 v² [6.5]

Según el cual un huracán puede ejercer sobre la vertical una presión de:

e = 0.0083 * 160² = 212 Kg./m²

No es fácil calcular con exactitud el empuje del viento sobre la cara de un elemento de hormigón pues si son relativamente pequeñas, el aire se escapa por los lados y arriba, con mas facilidad que si son grandes, además mucho depende de la rugosidad o el relieve de ellas, pero se puede partir del calculo del empuje total E del viento multiplicando el aire A, en la que choca, por el empuje unitario:

E = A e

Sin embargo el aire que escapa produce succiones en los lados también queda expuesta a otras succiones mayores por el vació que le provocan las corrientes laterales o superiores que por fricción arrastran el aire que existe junto a ella.

En el centro de la pared frontal o de barlovento, las presiones son más intensas; donde el aire no puede escapar y en los extremos de la pared posterior o de sotavento; las succiones son más fuertes. Las succiones S′ en las paredes laterales, sobre todo si estas son relativamente grandes, solo se realiza en la parte más cercana a donde viene el viento y se puede calcular mediante la formula:

S′ = 0.0025 v²

Lo mismo sucede en las azoteas, la corriente que escapa en la parte superior de la fachada o de las paredes laterales.

La succión S en la pared posterior, es más importante que las anteriores, y se puede resolver con la formula:

S = 0.0058 V²

Tanto S′ como S presentan las succiones unitarias

En una pared de hormigón, como la de un anuncio, las fuerzas de viento se pueden considerar; considerando el área total menos laminad de la superficie de los huecos pero sin tener estos encuentra si son muy reducidos.

Es una borda que recibe viento, la suma de la presión y la de succión es igual a:

e′ + S = (0.0083 + 0.0058) V² = 0.0141V²

En este caso la succión no es provocada por el viento frontal que se escapa por la parte superior, pues seria imposible que aumentara su energía, sino también por el viento rasante en esa parte.