Cargas de viento en estructuras circulares de cubierta de cúpula según ASCE 7-22

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Cuando se trata de cargas de viento en estructuras de tipo edificio según ASCE 7, se pueden encontrar numerosos recursos para complementar las normas de diseño y ayudar a los ingenieros con esta aplicación de carga lateral. De todas formas, a los ingenieros/as les puede resultar más difícil encontrar recursos parecidos para las cargas de viento o para el tipo de estructuras que no son de construcción. Este artículo examinará los pasos para calcular y aplicar cargas de viento según ASCE 7-22 en un tanque circular de hormigón armado con una cubierta de cúpula.

Determinación de las cargas de viento a partir de ASCE 7-22

La tabla 29.1-2 en ASCE 7-22 [1] describe los pasos necesarios para determinar las cargas de viento en una estructura de tanque circular según el Sistema principal de resistencia a la fuerza del viento (MWFRS).

Paso 1 : La Categoría de riesgo se determina a partir de la tabla 1.5-1 [1] en función del uso u ocupación del edificio. Las estructuras de cúpula se pueden utilizar como almacenes, lo que representa un riesgo relativamente bajo para la vida humana. Por otro lado, las cúpulas también se utilizan en el diseño de estadios deportivos, que pueden tener un impacto extremadamente alto en la vida humana en caso de fallo.

Paso 2 : Después de determinar la categoría de riesgo del paso 1, la velocidad básica del viento (V) se puede encontrar en las Figs. 26.5-1 y 26.5-2 [1]. Estas figuras muestran los mapas de velocidad del viento con ráfagas de 3 s para los Estados Unidos, que varían según la ubicación y la categoría de riesgo de la estructura. Se permite la interpolación lineal entre las líneas de contorno dadas.

Paso 3 : Se requieren múltiples parámetros de carga de viento en este paso que finalmente influyen en la presión de la carga de viento.

El factor de direccionalidad del viento (Kd ) de la tabla 26.6-1 [1] se da como 1.0 para cúpulas circulares y tanques redondos.

Teniendo en cuenta dos direcciones de viento, la Categoría de exposición se establece en función de la topografía, la vegetación y otras estructuras en el lado de exposición a barlovento. Cuanto mayor sea la categoría de exposición (es decir, la categoría D), más expuesta puede estar la estructura.

El Factor topográfico (Kzt ) considera la aceleración del viento sobre colinas, crestas y escarpes. Este valor se calcula en la ecuación 26.8-1 [1] utilizando los factores K1, K2 y K3 dados en la figura 26.8-1 [1].

Kzt = (1+K1K2K3

Los factores K de la figura 26.8-1 [1] dependen del terreno, como la altura de la colina (H), la distancia desde la cima hasta el sitio del edificio (x), la altura sobre la superficie del terreno (z), etc.

La tabla 26.9-1 [1] proporciona el coeficiente de elevación del terreno (Ke ) basado en la elevación de la estructura sobre el nivel del mar. Este factor también se puede tomar de forma conservadora como 1,0 para todas las elevaciones.

La clasificación de la envolvente se puede determinar en la sección 26.2 [1]. Las aberturas en la estructura pueden influir en esta clasificación. En muchos casos, para los almacenes, la clasificación del recinto se considera "cerrada". Sin embargo, para estadios deportivos, esto puede depender de las aberturas de los muros de la estructura, el techo retráctil, etc.

Dependiendo de la clasificación de la envolvente, el coeficiente de presión interna (GCpi ) como un valor positivo y negativo para tener en cuenta la presión que actúa hacia y desde las superficies internas se puede encontrar en la tabla 26.13-1 [1].

El factor de efecto de ráfaga (G) depende de la definición de rigidez de la estructura como rígida o flexible de la sección 26.2 [1]. La frecuencia natural fundamental juega un papel importante en la determinación de esta clasificación. El complemento Análisis modal en RFEM 6 se puede utilizar para encontrar la frecuencia natural fundamental de la estructura. La sección 26.11 [1] proporciona las fórmulas relevantes para calcular G para estructuras rígidas o flexibles. Alternativamente, se permite usar 0.85 solo para estructuras rígidas.

Paso 4 : El coeficiente de exposición de la presión de la velocidad (Kz ) se puede encontrar en la tabla 26.10-1 [1] en función de la categoría de exposición. Se deben determinar dos valoresKz en base a la altura media de la pared de la cúpula y la altura media de la cubierta de la cúpula. La interpolación lineal se puede utilizar para valores de altura intermedios.

Paso 5 : La presión de velocidad (qh ) se determina a partir de la ecuación 26.10-1 [1].

qh = 0,00256 Kz Kzt Ke

Todas las variables en esta ecuación se determinaron en los pasos anteriores. Se deben calcular dos valores deqh para usar en un paso posterior. El primero será qh a la altura del centro de gravedad del muro y el segundo se basará en la altura media de la cubierta de la cúpula, que dependen de los valores Kz del paso 4. La notación del subíndice qh frente a qz se usa indistintamente en la ecuación 26.10-1 [1] dependiendo de la presión de la velocidad evaluada para muros frente a la cubierta, respectivamente.

Paso 6 : El Coeficiente de fuerzas (Cf ) para muros de una cúpula aislada en la Sección 29.4.2.1 [1] se puede establecer en 0,63, donde hc/D está en el rango de 0,25 a 4,0 con hc = altura del cilindro sólido y D = diámetro. Cf para muros de cúpulas agrupadas se calcula en base a la figura 29.4-6 [1].

Paso 7 : El coeficiente de presión externa (Cp ) para una cubierta en forma de cúpula con un ángulo de la cubierta superior a 10° se determina en la figura 27.3-2 [1]. En función de las dimensiones para la elevación de la cúpula, la altura hasta la base de la cúpula y el diámetro, se determinarán tres valores deCp a partir de esta figura para las posiciones A, B y C específicas de la estructura (figura 01).

Se deben considerar dos casos de carga de viento a lo largo del perímetro y la altura utilizando estos diversos valores deCp :

Caso A: Los valores deCp entre A y B y entre B y C se determinarán mediante interpolación lineal a lo largo de arcos en la cúpula paralelos a la dirección del viento.

Caso B: Cp será el valor constante de A para θ ≤ 25° y se determinará mediante interpolación lineal de 25° a B y de B a C.

Paso 8 : La fuerza del viento (F) para muros se calcula en la ecuación 29.4-1 [1].

F=qzKdGCfAf_

La Fuerza del viento (F) a su vez se puede dividir por el Área proyectada normal al viento (Af ) para encontrar la presión del muro para la aplicación como carga superficial en RFEM. Tenga en cuenta queqz es la presión de velocidad calculada previamente en el paso 5, pero se usa con un subíndice alternativo, ya que ambos se usan indistintamente y se evalúan en el centro de gravedad deAf (la altura media del muro).

La presión de cálculo (p) para una cubierta de cúpula aislada y agrupada se encuentra con la ecuación 29.4-4 [1].

p = qh Kd (GCp - GCpi )

El valorqh del paso 5 se evalúa en la altura media de la cubierta de la cúpula. G y GCpi se determinan en el paso 3, mientras que los valores múltiples de Cp para una cubierta en forma de cúpula > 10° se encuentran en el paso 7.

Aplicación de la presión del muro en RFEM

La presión del viento se determina desde el paso 8 en la secuencia anterior. La presión del viento se debe aplicar al área normal proyectada en el viento en ambas direcciones, de barlovento y sotavento. Esta carga superficial proyectada se puede aplicar fácilmente a la cara de las paredes de la cúpula en la opción de menú "Insertar" → "Cargas" → "Cargas superficiales". En el cuadro de diálogo correspondiente, puede seleccionar primero las superficies del muro y definir la dirección de proyección (figura 02).

Para comprobar visualmente las cargas aplicadas, seleccione la casilla de verificación "Distribución de cargas" en el navegador Resultados (ver figura 03) después de ejecutar el análisis. Es suficiente con calcular una iteración para el caso de carga correspondiente. Esto puede ahorrar una cantidad de tiempo considerable que al resolver los casos y combinaciones de carga para estructuras grandes con una malla de EF fina. La precisión de la distribución de carga depende de la malla de EF. Cuanto menor sea la malla de EF, se obtendrá una magnitud de distribución de carga más exacta y precisa.

Aplicación de la presión de la cubierta del domo en RFEM

Como se explica en el paso 7 anterior, la figura 27.3-2 en ASCE 7-22 especifica los coeficientes de presión externa para cúpulas con bases circulares. La nota 4 en la figura 27.3-2 [1] indica que los coeficientes de presión externa son constantes a lo largo de cualquier plano perpendicular a la dirección del viento. La figura 27.3-2 [1] mencionada en el paso 7 muestra los coeficientes de presión externa que se aplicarán a tres áreas a lo largo de la cubierta de la cúpula (A, B y C). Se deben considerar dos casos de carga como se especifica en la nota 1 de la figura 27.3-2 [1]. Ambos casos requieren que las posiciones entre los puntos A, B y C se determinen mediante interpolación lineal.

El coeficiente de presión externa tiene un valor de -0.4 para el punto A, -1.1 para el punto B y -0.4 para el punto C (ver figura 01). Según la ecuación 29.4-4 [1] y el paso 8 anterior, los resultados de la presión del viento son -12,79 psf/-3,94 psf para el punto A, -27,43 psf/-18,573 psf para el punto B y -12,79 psf/-3,94 psf para el punto Punto C para a +GCpi y -GCpi, respectivamente.

Estas cargas se pueden definir fácilmente en RFEM con cargas rectangulares libres que se pueden generar en el menú "Insertar" → "Cargas" → "Cargas rectangulares libres". Además de definir el plano de proyección y la dirección de la carga, es posible considerar una función lineal para la distribución de carga que cubra la interpolación entre los puntos individuales (A, B y C). Se crean dos cargas rectangulares libres. Uno está designado para las áreas de A a B (figura 04), el segundo para las áreas de B a C (figura 05).

La función de distribución de carga mencionada anteriormente en el navegador Resultados mostrará la carga de viento aplicada en la cubierta de la cúpula. Para ver claramente el efecto de la carga a lo largo de una sola línea de corte de la cubierta, puede crear opcionalmente una Sección de resultados (figura 06).

Autor

Cisca Tjoa, PE

Cisca Tjoa, PE

Ingeniero de soporte técnico

Cisca es responsable del soporte técnico al cliente y el desarrollo continuo de los programas para el mercado norteamericano.

Palabras clave

ASCE ASCE-7 Carga de viento Cubierta en forma de cúpula

Referencia

[1]   ASCE/SEI 7-22, Minimum Design Loads and Associated Criteria for Buildings and Other Structures

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  • Actualizado 15. febrero 2024

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