Análisis Estático y Dinámico por Viento,Tall Building

INGENIERA CIVIL - UCSM 67

COMPARACIN DEL COMPORTAMIENTO SSMICO LINEAL Y NO-LINEAL, EN EL ANLISIS Y DISEO ESTRUCTURAL DE UN EDIFICIO ALTO, CONDISIPADORES DE ENERGA E INTERACCIN SUELO-ESTRUCTURA. ELABORADO POR GUSTAVO CONDORI UCHIRI

CAPITULO IV:ANLISIS POR VIENTO

4.1ANLISIS ESTTICO Y DINMICO POR VIENTO (NORMA MEXICANA2008) CON INTERACCION SUELO ESTRUCTURA (NORMA RUSA).

a. ACCIN DEL VIENTO EN EDIFICIOS ALTOS.- Conforme aumente laaltura del edificio, y especialmente su esbeltez ( = h/b) la accin del viento comienza a comprometer la estabilidad de las construcciones con igualintensidad que las cargas gravitacionales.El Viento es una Carga dinmica que varia con el tiempo, con unadeterminada direccin (aplicado en el plano medio de la fachada, en elcentro de simetra punto de obstruccin) e intensidad, o sea una masa deaire en movimiento que al chocar contra el obstculo (edificio) tiende avolcarlo y desplazarlo, entonces podemos decir que el viento es unafuerza determinada bsicamente por la superficie (rea) expuesta y elsismo est determinada por las masas del entrepiso.

Figura N 50:Tormenta de viento en la ciudad de Panam

Figura N 51:

Presin de Vientos

en Edificios Altos



b. DESCRIPCIN DEL EDIFICIO:Topografa: Plana.Terreno: SuburbanoDimensiones: Altura Z= 72.40m, LX= 16.85m, LY =27.15m.Configuracin estructural: Prticos de hormign armado en ambasdirecciones. Las losas de entrepisos y de cubierta se comportan comorgidas en su plano.

El periodo fundamental de la estructura es:

=

Revestimientos: Montantes para paneles vidriados entre losas, Los panelesde vidrio son resistentes al impacto de proyectiles.

c. TIPO DE EXPOSICIN Y CLASIFICACIN DEL EDIFICIO.- Zona tpicaurbana y suburbana. El sitio est rodeado predominantemente porconstrucciones de mediana y baja altura o por reas arboladas.

d. VELOCIDAD DE DISEO.-

= 0.88 2.01 1.01 85

= 152.083

Donde:FTR factor correctivo que toma en cuenta las condiciones locales relativas a la

topografa y a la rugosidad del terreno en los alrededores del sitio dedesplante; Rugosidad = R3, Forma Topogrfica local= T3, = 0.88.

Tabla N 36: Norma mexicana,

formas topogrficas locales y

rugosidad del terreno para el

factor topogrfico de viento



F factor que toma en cuenta la variacin de la velocidad con la altura.

10

72.40

10

= 2.01

Donde:= altura gradiente en metros, medida a partir del nivel del terreno de

desplante, por encima de la cual la variacin de la velocidad del vientono es importante y se puede suponer constante;

= exponente que determina la forma de la variacin de la velocidad del viento con la altura; y

z= altura de un punto desde el suelo (variable que se incrementa), m

Ft factor que toma en cuenta la presin baromtrica y la temperaturaambiental;

=298

=

298

273 + 21= 1.01

VR velocidad regional segn la zona que le corresponde al sitio en donde seconstruir la estructura.

= 85

Tabla N 37: Norma

mexicana, factor de

altura de gradiente y

exponente de variacin

de velocidad de viento

Tabla N 38: Temperatura promedio para Arequipa (SENAMHI)



Figura N 52: Mapa de Isotacas del Per



e. PRESIN DE DISEO.-

= 0.0048 0.8 152.083 = 88.817

= 0.0048 0.4 152.083 = 44.408

DondeCp= coeficiente local de presin que depende de la forma de la

estructura (factor de presin);Los factores de presin CP de la ecuacin, se determinan segn eltipo y forma de la construccin, de acuerdo con la clasificacinsiguiente:Caso I Edificios y construcciones cerradas: paredes, techos planos,

inclinados, curvos y en arco.

f. FACTOR DE RFAGA (ANLISIS DINMICO).-

1

0.16

1.903

0.064 0.156

0.02= 1.027 1

( ) +0.58

( )

1

2.3 1.48

4

3

1

1 +457

1

1 +122

( (

Tabla N 39:



3

1

1 +

1

1 +

( )

= 1220

Tabla N 40: Norma

mexicana, baco para

obtencin de factor de

excitacin de fondo B

Tabla N 41: Norma

mexicana, parmetro

R, a y n segn

la condicin de

exposicin



DondeG=rea expuesta, en m;g =factor de respuesta mxima;R =factor de rugosidad;B =factor de excitacin de fondo;S =factor reductivo por tamaono= frecuencia del modo fundamental de la estructura; Hz;H =altura de la estructura, m; =fraccin del amortiguamiento crtico, igual a 0.01 en estructuras de acero, y 0.02 en estructuras de concreto;Ln =indica logaritmo natural;F =relacin de energa en rfaga; yCe =factor correctivo por exposicin.

g. PRESIN DINMICA.- Es la presin de diseo afectada por el factor derfaga.

) ) = 88.817 1.027 = 91.23

) ) = 44.408 1.027 = 45.61

h. FUERZAS LATERALES.-

.



Figura N 53: Presiones de

viento en el entrepiso del

edificio alto

Tabla N 42:

Norma

mexicana,

mtodo esttico

por viento



Tabla N 43:



4.2ANLISIS DINMICO POR VIENTO (NORMA PERUANA) CONINTERACCION SUELO ESTRUCTURA (NORMA RUSA).

La estructura, los elementos de cierre y los componentes exteriores detodas las edificaciones expuestas a la accin del viento, sern diseadospara resistir las cargas (presiones y succiones) exteriores e interioresdebidas al viento, suponiendo que ste acta en dos direccioneshorizontales perpendiculares entre s. En la estructura la ocurrencia depresiones y succiones exteriores sern consideradas simultneamente.

a. CLASIFICACIN DE LA EDIFICACIN.

Tipo 2. Edificaciones cuya esbeltez las hace sensibles a las rfagas, talescomo tanques elevados y anuncios y en general estructuras con unadimensin corta en la direccin del viento. Para este tipo de edificaciones lacarga exterior especificada en el Artculo 12 RNE se multiplicar por 1,2.

b. VELOCIDAD DE DISEO.

10

72.40

10

= 131.39

Donde:Vh : velocidad de diseo en la altura h en Km/h .V : velocidad de diseo hasta 10 m de altura en Km/h (V= 85Km/h).h : altura sobre el terreno en metros.

c. CARGA EXTERIOR DINAMICA DE VIENTO.

= 1.2( )

) ) = 1.2(0.005 0.80 131.39) = 82.864

) ) = 1.2(0.005 0.60 131.39) = 62.148

Donde:Ph : presin o succin del viento a una altura h en Kgf/m2C : factor de forma adimensional indicado en la Tabla.Vh : velocidad de diseo a la altura h, en Km/h.

d. FUERZAS LATERALES.

.

Tabla N 44: Norma peruana, factores de forma C



Tabla N 45:



4.3ANLISIS DINMICO POR VIENTO (NORMA ASCE 7-10 Chapter 26,27)CON INTERACCION SUELO ESTRUCTURA (NORMA RUSA).

a. DESCRIPCIN DEL EDIFICIO.- Altura del edificio: Z=72.40m.- Longitud expuesta: L=27.15m.- Ancho expuesto: B= 16.85m.

- Altura de entrepiso: hpiso=3.60m.- Estructura rgida.

b. CATEGORA DE OCUPACIN.

Caractersticas de ocupacin CategoraInstalaciones agrcolas, temporales, almacenes pequeos IEdificios no contemplados en I, II, IV. IIEdificios donde se renen ms de 300 personas en unrea, edificios, educacin con 500 a ms personas,industria.

III

Edificaciones esenciales, hospitales, comisarias,comunicaciones, generadoras de energa, estructuras parala defensa nacional.

IV

c. CATEGORIA DE EXPOSICION.

Categoras de exposicinA Centro de ciudad o terrenos rugosos.B reas suburbanas o terrenos boscosos,C Campo abierto, sembros, arbustosD reas costeras expuestas al mar

Figura N 54: Categoras de exposicin de estructuras a viento (ASCE 7-

10).

Tabla N 46:

Tabla N 47:



d. VELOCIDAD DEL VIENTO BSICA REGIONAL.- Es la velocidad que se mide a una altura de 10m en terreno plano libre

de obstculos (rfaga de 3 segundos).- Velocidad bsica en Arequipa: V= 85.00 Km/h = 23.61 m/s. = 53mph.

e. PRESIN OCASIONADA POR LA VELOCIDAD DEL VIENTO qZ.

(

)

= 0.613 1.265 1.015 0.85 23.61 = 373.161(

)

Donde:Kz : Coeficiente de exposicin de la presin de la velocidad.Kzt : factor por topografa del terreno.Kd : factor por direccin del viento.V: Velocidad regional en (m/s).

COEFICIENTE DE EXPOSICIN DE LA PRESIN DE LA VELOCIDADKz

Para:

72.40

365.76

= 1.265

Z : Altura acumulada respecto al suelo.Zg: De tabla 26.9-1 ASCE7-10, Categora B le corresponde

(Zg=365.76)

Figura N 55: Velocidad de viento regional en

Arequipa, a 10m sobre el suelo



FACTOR POR TOPOGRAFA DEL TERRENO Kzt .

= ( ) = (1 + 0.19 1 0.04)

= 1.015

K1 : Factor para dar cuenta de la forma del accidente topogrfico y elmximo efecto de aceleracin. Parmetro para velocidad sobrecolinas Hill y cuestas, Tabla 26.8-1 ASCE7-10. Categora B lecorresponde.

=

=

18

90= 0.19

Figura N 56: Factor por topografa del terreno

Tabla N 48:



K2: Factor para dar cuenta de la reduccin de la velocidad de marcha conla distancia a barlovento o sotavento de la cresta. Parmetro porfrmula

= 1 ||

= 1

|0|

1.5 90= 1

x: Distancia (en contra del viento o la direccin del viento) de la crestade la obra, en metros (x=0).

K3: Factor para dar cuenta de la reduccin de la velocidad de marcha conla altura sobre el terreno local. Parmetro por frmula

= 0.04

z: Altura sobre la superficie de la tierra hasta el ltimo nivel(metros).Altura de la edificacin 72.40m.: Por ser de categora B le corresponde segn la tabla un valor de 4.

=

0.2=

18

0.2= 90

H: si tiene una categora de exposicin B, entonces H=18m (26.8.1articulo 5, ASCE7-10).

FACTOR POR DIRECCIN DEL VIENTO Kd .Por la tabla 26.6.1 del ASCE7-10, por tratarse de un edificio lecorresponde (Structure Type= Buildings Main Wind Forced ResistingSystem) Kd=0.85.

Tabla N 49:

Tabla N 50:



f. FACTOR DE RFAGA G (Gust Effect Factor).

1 + 1.7 3.4 0.235 0.834

1 + 1.7 3.4 0.235

= 3.4 Factor pico de respuesta de fondo.

= 3.4 Factor pico de respuesta de viento. Factor de Intensidad de la turbulencia, de tabla 26.9-1.

: Intensidad de la turbulencia.

10

10

43.44

= 0.235

Equivalente de altura de la estructura. Medida hasta el techo de la construccin.

Respuesta de fondo. Medida horizontal en direccin del viento.

1

1

16.85 + 72.40

159.074 = 0.834

Escala de la longitud de la turbulencia en altura. de tabla 26.9-1 = 97.540 de tabla 26.9-2

10

43.44

10

= 159.074

Tabla N 51:



g. PRESIN DE DISEO P.

()

) )

) )

= 0.80 Coeficiente de presin externa, Barlovento, de tabla 27.4-1 = 0.30 Coeficiente de presin externa, Sotavento, de tabla 27.4-2= 0.18 Se equilibran y como quiero obtener mximos esfuerzos no

lo uso.

Tabla N 52:

Tabla N 53:



h. FUERZAS LATERALES.

.



Tabla N 54:

Anlisis dinmico

por viento (norma

ASCE7-10 chapter

26,27) con interaccin

suelo estructura (Norma

Rusa)



i. ANLISIS DE RESULTADOS DE LA DISTRIBUCIN DE FUERZAS ENLOS TRES MODELOS.Se realiza esta comparacin para tomar el modelo que esfuerza y exige msde la estructura, como se observa el modelo de la norma ASCE7-10 exigemas a la estructura, por lo cual se tomar para clculos de la deriva deentrepiso que segn la norma peruana ser de 1%.

Figura N 57:Comparacin

de modelos (ASCE7-10,

NTC2008 y RNE2009)

Tabla N 55:



4.4ANLISIS DINMICO POR VIENTO (NORMA ASCE7-05) CONINTERACCIN SUELO ESTRUCTURA (NORMA RUSA), EN ETABSUTILIZANDO LA VELOCIDAD REGIONAL DE (V=85Km/h) AREQUIPA.

Usaremos ASCE7-05 por ser ms conservadora. La velocidad regionalpara la zona de Arequipa es:

= 23.61

a. MODELO EN ETABS.

Parmetros y caractersticas:

- Empujes dinmicos a diafragmas rgidos.- Angulo de direccin de viento en: X=0.- Angulo de direccin de viento en: Y=90.- Barlovento (Windward): Cp=0.8- Sotavento (Leeward): Cp=0.3- Cargas totales, parciales segn el caso (ASCE-05, fig6.9).- Viento desde la base (Botton Story) hasta el ltimo nivel

(TopStory).- Velocidad regional (wind speed): V=80.78 millas por hora.- Categora de exposicin (exposure type): Tipo = B.- Categora de ocupacin de la estructura: Tipo III.- Factor de importancia, tabla 6.1 ASCE7-05: I=1.15- Factor de topografa: Kzt=1.015.- Factor de rfaga (gust factor): G=0.837- Factor de direccin (directionality factor): Kd=0.85

Definicin de casos de Carga de Viento.

Figura N 58: Definicin de

casos de carga de viento

(ETABS, ASCE7-05)



Caso de carga de viento en direccin X.

Caso de carga de viento en direccin Y.

b. DERIVAS DE ENTREPISO, ASCE7-05 (V=85 Km/h, AREQUIPA) en ETABS.

Figura N 59: Viento en X

(ETABS, ASCE7-05)

Figura N 60: Viento en Y

(ETABS, ASCE7-05)



4.5ANLISIS DINMICO POR VIENTO (NORMA ASCE7-05) CONINTERACCIN SUELO ESTRUCTURA (NORMA RUSA), EN ETABS

Figura N 61:Derivas de

entrepiso (ASCE7-05).

Tabla N 56: Distorsiones (usando ETABS), ASCE7-05 (V=85 Km/h, Arequipa)



UTILIZANDO LA VELOCIDAD REGIONAL DE (V=130Km/h) SUR DEPERU.

Usaremos ASCE7-05 por ser ms conservadora. La velocidad regionalpara la zona sur de Per, siendo el caso de una probable eventualidad,(acotando que segn la norma de Panam, capitulo 3, Tabla3-2, indicaque la velocidad promedio para el pacifico es de 115Km/h = 71.46mph):

= 36.11

a. MODELO EN ETABS.

Parmetros y caractersticas:

- Empujes dinmicos a diafragmas rgidos.- Angulo de direccin de viento en: X=0.- Angulo de direccin de viento en: Y=90.- Barlovento (Windward): Cp=0.8- Sotavento (Leeward): Cp=0.3- Cargas totales, parciales segn el caso (ASCE-05, fig6.9).- Viento desde la base (Botton Story) hasta el ltimo nivel

(TopStory).- Velocidad regional (wind speed): V=80.78 millas por hora.- Categora de exposicin (exposure type): Tipo = B.- Categora de ocupacin de la estructura: Tipo III.- Factor de importancia, tabla 6.1 ASCE7-05: I=1.15- Factor de topografa: Kzt=1.015.- Factor de rfaga (gust factor): G=0.837- Factor de direccin (directionality factor): Kd=0.85

Definicin de caso de Carga de Viento en direccin X.

Definicin de caso de Carga de Viento en direccin Y.

Figura N 62: Viento

en X (V=130km/h,

ASCE7-05)



b. DERIVAS DE ENTREPISO, ASCE7-05 (V=130 Km/h, AREQUIPA) enETABS.

c. ANALISIS DE RESULTADOS.La deriva de entrepiso es de 2 milmetros cumpliendo con la norma RNE.

CAPITULO V:

Figura N 63: Viento

en Y (V=130km/h,

ASCE7-05)

Tabla N 57: Distorsiones ASCE7-05 (V=130 Km/h, Sur de Per)



ANLISIS DE RESULTADOS

5.1 COMPARACIN DE DESPLAZAMIENTOS.

a. DESPLAZAMIENTO DEBIDO A SISMO EN +X y VIENTO.

Observamos que los desplazamientos ms desfavorables se obtienen delanlisis ssmico esttico, mientras que anlisis ssmico dinmico modalespectral empotrado, nos muestra desplazamientos aceptables, pero, al aplicarinteraccin suelo estructura no cumple. Al inclinarnos por una aproximacinms real se recomendara un anlisis tiempo-historia con ISE.Se observa que los desplazamientos por viento son pequeos en comparacina la accin ssmica.

Figura N 64

Tabla N 58:



b. DESPLAZAMIENTO DEBIDO A SISMO EN +Y y VIENTO.

Se observa, que si bien el anlisis ssmico dinmico modal espectralempotrado cumple. Al adicionarle interaccin suelo estructura mejora sucomportamiento, supongo este comportamiento debido a su mayor dimensinlongitudinal (en Y de la platea de cimentacin) y probablemente el suelo estefuncionando como un aislador ssmico (se tendra que profundizar el estudio).

Figura N 65

Tabla N 59:

Engineering

Análisis Estático y Dinámico por Viento,Tall Building