determinación de coeficientes medios de presión interna en un

DETERMINACIÓN DE COEFICIENTES MEDIOS DE PRESIÓN
INTERNA EN UN ESTADIO POLIDEPORTIVO CUBIERTO
Ing. Gisela M. Alvarez y Alvarez, Dr. Eng. Mario E. De Bortoli, Dr. Ing. Mario
Bruno Natalini, Ph. D. Ing. Bruno Natalini.
Laboratorio de Aerodinámica, Facultad de Ingeniería, UNNE.
Resistencia, Chaco.
Resumen
Para diseñar una estructura es necesario determinar la presión neta que actúa
sobre los componentes la misma. Gran parte de las investigaciones se centran en
el estudio del valor de la presión externa, sin embargo, se ha demostrado que
fallas en techos y paredes son causadas por la combinación de presiones
externas elevadas con presiones internas actuando en la misma dirección. En
este trabajo se presenta una revisión del modo en que inciden los factores que
causan variaciones en la presión interna y también se efectúa un análisis de
algunas normativas vigentes.
Finalmente, se analizan las presiones internas de un estadio polideportivo, con
capacidad para 4000 espectadores, empleando el reglamento CIRSOC 102 y los
resultados obtenidos en un ensayo en túnel de viento. La comparación manifiesta
la magnitud de los errores que se pueden cometer al aplicar ambos tratamientos a
un caso de una estructura tan singular.
Abstract
The assessment of the net pressure acting on the different components of a
structure is a necessary step during the design stage of buildings. The literature on
wind load research is mainly concerned with the value of external pressures;
however, studies have demonstrated that failures on roofs and walls are caused in
many cases by the combination of high external pressures with internal pressures
acting in the same direction. In this work, a review on the role of the different
factors causing variations of the internal pressure is made and a further review on
the treatment of current codes of practice is discussed.
Finally, the internal pressures of a large sport centre, which can accommodate
4000 spectators, are analysed by using both the CIRSOC 102 code of practice
and wind tunnel test results. The case illustrates the magnitude of the deviation
between the two approaches for such a singular building.
1. Introducción
Para diseñar una estructura es necesario determinar la presión neta que
actúa sobre los componentes la misma. La presión neta es la diferencia entre las
presiones externa e interna. Gran parte de las investigaciones se centran en el
estudio del valor de la presión externa, sin embargo, cuando una construcción
posee aberturas de dimensiones significativas al exterior los valores de presiones
internas pueden ser del mismo orden de magnitud que los de presiones externas
y causar roturas de cristales de ventanas o voladuras de cubiertas. La presión
interna no modifica la carga total debida al viento en una estructura cerrada ya
que su efecto se anula al actuar en todas las caras internas de la edificación. No
obstante, afecta la carga neta que actúa en cada componente de la estructura.
Como ejemplo puede citarse el accidente ocurrido en el año 1961, en un
club de la playa Curumim en Brasil1. A causa de las fuertes succiones originadas
por un intenso temporal la cubierta del edificio se movía en dirección vertical como
si fuese una membrana. Cuando los cristales de las ventanas no soportaron la
sobrepresión y estallaron, la cubierta se levantó y voló, cayendo a 40 m de la
edificación. La causa del accidente fue la acción conjunta de la alta presión
interna generada al romperse los cristales con la elevada succión externa, lo cual
generó una fuerza de sustentación superior al peso propio de la estructura y
venció a la resistencia de los anclajes.
Blessmann2 menciona estudios de Irminger y Nøkkentved referidos a este
tema que se remontan al año 1930. Debido a los numerosos accidentes que
ocurrían en la época, ellos efectuaron estudios experimentales en modelos de
construcciones cerradas, concluyendo que la voladura de tejados se producía por
una disposición desfavorable de aberturas. Por ejemplo, la cubierta de la Catedral
Ribe de Dinamarca se voló al ser alterada la disposición de las aberturas después
de una reparación. En la reconstrucción las aberturas se colocaron en su antigua
posición y no hubo más inconvenientes.
Durante la década del 60´ se efectuaron numerosas investigaciones al
respecto, entre las que se citan las realizadas en la Universidad de Melbourne,
Australia, referidas a presiones máximas en naves industriales; o las de D´Have y
Newberry que analizan la influencia del porcentaje de aberturas2.
El estudio de presiones internas es particularmente importante en el caso
de grandes recintos, como las naves industriales. El Laboratorio de Aerodinámica
de las construcciones de la UFRGS, de Brasil, contribuyó con numerosos ensayos
en túnel de viento de modelos reducidos de galpones industriales, de cubiertas
curvas y lucernas de grandes dimensiones2.
Se presenta en este trabajo una revisión del modo en que inciden distintos
factores en la determinación de las presiones internas y del enfoque que realizan
distintas normas con respecto a la determinación del coeficiente de presión
interna. Además, se analizan los resultados de coeficientes de presiones internas
obtenidos en un ensayo de un túnel de viento de un polideportivo y se los
comparan con los hallados al aplicar el Reglamento CIRSOC 102.
2. Conceptos básicos sobre presiones internas
En un ambiente la presión interna depende de las presiones externas
circundantes y del tamaño y disposición de las aberturas. En algunos casos
interesa conocer la velocidad a la cual la presión interna responde a una variación
de la presión externa. La velocidad de respuesta de la presión interna depende
del volumen de los ambientes y de la rigidez de las paredes y cubierta del edificio.
Además de las aberturas diseñadas en una edificación, tales como puertas,
ventanas, chimeneas, etc., también existen otros tipos de aberturas; como las que
se deben a fallas constructivas o a las que se originan accidentalmente por rotura
de cristales debido a un pico de succión interna o por objetos lanzados por el
viento. Esto hace que sea realmente difícil considerar a una construcción estanca
o totalmente sellada.
A continuación se verán tres conceptos determinantes en el cálculo de
presiones internas; abertura dominante, porosidad y permeabilidad. Los cuales
dependen del grado de abertura que tenga la estructura.
2.1 Abertura dominante
La disposición de las aberturas es un factor a tener en consideración.
Cook3 analiza tres situaciones típicas que reflejan la importancia del efecto
ocasionado por la distribución de las mismas. En el caso a de la Figura 1 se tiene
una gran abertura en la pared a barlovento, en tanto que las restantes paredes se
encuentran cerradas nominalmente selladas. El aire comienza a ingresar en la
habitación hasta que se igualan las presiones externas e internas en la pared a
barlovento, y la presión neta sobre esta pared se anula. Las presiones netas en el
techo y en la pared a sotavento se incrementan ya que las presiones internas se
suman a las presiones exteriores. Esto es lo que sucedió en el caso citado
anteriormente del club en Curumim.
pi (+)
pi (-)
pi
intermedia
Caso a
Caso b
Caso c
Figura 1. Efecto de la disposición de las aberturas en la presión interna.
En el caso b de la Figura 1, la abertura de grandes dimensiones se
encuentra en la pared a sotavento mientras que las restantes paredes están
nominalmente selladas. En esta situación la presión interna se equilibra con la
succión que actúa sobre la pared a sotavento. En ese momento la carga que
actúa sobre dicha pared es nula, la carga actuante sobre la cubierta disminuye;
pero la acción sobre la pared a barlovento se incrementa. Este caso resulta un
interesante método de prevención de voladura de techos durante tormentas,
siempre que la pared a barlovento soporte las sobrepresiones generadas.
En el caso c de la Figura 1 se tienen aberturas de similares dimensiones en
las paredes a barlovento y a sotavento. El viento pasa a través de la construcción
provocando que las presiones en el interior sean intermedias a las obtenidas en
los casos anteriores.
En los dos primeros casos las aberturas son las que dominan a las
presiones internas y por eso se denominan aberturas dominantes. Se verá más
adelante que el término abertura dominante es también usado en otra bibliografía
en un sentido más amplio. En este trabajo cuando se emplee el término de
abertura dominante se hará en el sentido de esta definición dada por Cook3.
Antiguamente las normas consideraban que para que una abertura sea
dominante tenía que tener un área igual al 30-33 % del área de la pared, para que
la presión interna alcance un valor aproximadamente igual al de la presión externa
en la zona de la abertura. Actualmente se sabe que con aproximadamente el 1 %
del área de la pared ya se generan presiones internas inducidas por la presión
externa en la zona de la abertura.
2.2 Porosidad
La porosidad de una edificación se debe a la existencia de aberturas en
sus caras exteriores, las cuales permiten el paso del flujo de aire aún cuando
ventanas y puertas se encuentren cerradas.
La estimación de la porosidad puede hacerse de manera individual sobre
cada componente, como por ejemplo puertas o ventanas; o también, pueden
efectuarse mediciones de la permeabilidad total de habitaciones o de edificios.
Por ejemplo edificios que posean sistema de aire acondicionado pueden ser
presurizados usando el mismo sistema para medir la tasa de flujo a través de las
paredes.
Generalmente la porosidad de una edificación se expresa en términos de la
relación entre el área efectiva de descarga, Ad, y la superficie total, At. En la Tabla
1 se detallan valores de porosidad típicos obtenidos de mediciones en términos
de esta relación3. Los valores varían para distintos países debido a que el sistema
constructivo empleado es distinto, por ejemplo las viviendas en Inglaterra son tres
veces más porosas que en Canadá.
Tipo de edificación
Oficinas
Viviendas
País
Canadá
Estados Unidos
Inglaterra
Canadá
Suecia
Porosidad (Ad/At)
0.036 %
0,039 %
0,104 %
0,038 %
0,021 %
Tabla 1. Permeabilidad obtenida de mediciones en oficinas y viviendas.
2.3 Permeabilidad
Una situación intermedia a la descripta en los puntos anteriores se
presenta cuando se consideran aberturas, como ser ventanas y puertas, abiertas,
tal como ocurre en el caso c de la Figura1. En este caso definiremos a la
estructura como permeable y el grado de permeabilidad se calculará de igual
manera que la porosidad.
3. Cálculo de la Presión Interna
El cálculo de la presión interna dependerá del tipo de estructura que se
analice. Si la misma posee una abertura dominante, la presión interna es igual a
la exterior que actúa sobre dicha abertura, tal como ocurre en los casos a y b de
la Figura 1.
Para la determinación de presiones internas en los casos de estructuras
permeables y porosas, aunque se traten de dos casos conceptualmente distintos,
se puede emplear el método simplificado citado por Cook3 y Blessmann2. Este
procedimiento tiene buena correlación con valores obtenidos experimentalmente y
consiste básicamente en la determinación de la presión interna por
aproximaciones sucesivas, a partir de un balance entre las masas de aire que
ingresan y salen de un ambiente.
3.1. Cálculo de la presión interna con paredes permeables y porosas
El caudal de aire, Q, a través de una abertura debida a la permeabilidad o
la porosidad de una pared, depende del área de la abertura, A, y de la magnitud
de la diferencia de la presión exterior e interior,pe - pi.
Q ∝ A. pe - pin
(1)
Donde el exponente n toma el valor de 1 para flujo laminar y de 0,5 para
flujo turbulento. La combinación de dimensiones de aberturas debida a la
permeabilidad y velocidad del flujo determina un número de Reynolds
correspondiente a escurrimientos turbulentos, por lo que se adopta n igual a 0,5.
Cuando el área se refiera al área de porosidad, se adopta valores de n entre 0,5 y
0,7, porque el flujo debido a la porosidad es intermedio entre laminar y turbulento.
La forma más conocida de la ecuación (1) es la ecuación de la placa
orificio:
Q = Cd.Ad. (2 pe - pi) ½
(2)
Donde Cd es el coeficiente de descarga del orificio el cual posee un valor
estándar de 0,61 para orificios circulares de terminación angulosa y Ad es el área
de descarga correspondiente.
Una vez establecido el equilibrio entre la presión interna y externa, el
régimen es permanente y el volumen de aire que ingresa a la construcción es
igual al volumen que sale:
N
∑Qj = 0
(3)
j=1
Reemplazando la ecuación (3) en la (2) y suprimiendo los valores
constantes, resulta:
Σ (Ad. (pe - pi) ½ = 0
(4)
p2
p3
A2
A3
p1 A1
A4 p4
pi
A6
A5
p6
p5
Figura 2. Balance de flujos para una habitación con seis aberturas.
Por ejemplo para un caso de un edificio de una habitación con seis
aberturas como el de la Figura 2, la ecuación (4) resulta:
A1(p1 - pi)½ + ... + A4(p4 - pi )½ = A5(p5 - pi)½ +A6(p6 - pi)½
(5)
En la ecuación se colocan en el primer miembro todos los flujos que se
estiman saldrán de la habitación y en el segundo miembro los flujos entrantes y se
resuelve por iteración dándole distintos valores a pi, hasta determinar el valor de pi
que ajuste el balance.
3.2. Cálculo de la presión interna con varias aberturas dominantes
Al plantear para el caso c de la Figura 1 un balance de flujos entrantes y
salientes, teniendo en consideración que las paredes tienen distintas
permeabilidades;
A1(p1 - pi)½ = A2(p2 - pi)½
(6)
Despejando de (6) la relación entre las presiones, resulta proporcional al
cuadrado de la relación entre las áreas de descarga (7).
(pi-p2)/( p1 - pi) = (A1/A2)²
(7)
En la Figura 3 se observa el resultado de aplicar la expresión (7) en la
determinación del porcentaje de cargas que actúa en cada pared cuando la
relación de descarga entre las mismas varía.
Para una habitación con una abertura tal que su área sea el triple de la
suma de las aberturas en la pared opuesta. La carga que actúa sobre la pared
que posee la mayor abertura es aproximadamente el 10% de la carga total, en
tanto que sobre la pared opuesta actúa el 90% restante. Si las dimensiones de la
abertura dominante son iguales a las de las aberturas de la pared opuesta, la
carga total se distribuiría de igual manera en dichas paredes.
% de la carga total actuante
100
80
Carga en pared con abertura dominante
60
Carga en pared opuesta a la que posee la
abertura dominante
40
20
0
1
3
5
7
9
11
área abertura dominante/Σ áreas aberturas pared opuesta
Figura 3. Variación de la carga actuante en dos paredes opuestas de una
habitación según la relación de áreas de aberturas.
4. Normativas Vigentes
En este punto se describe el procedimiento empleado por el Proyecto del
Reglamento Argentino CIRSOC 1024, la Norma Brasileña NBR 6123-19875 y
norma europea ENV 19916, para la determinación de las presiones internas.
Además se analiza el tratamiento que cada una de estas normas da a las tres
situaciones de abertura descriptas en el punto 2
En el Proyecto del Reglamento Argentino CIRSOC 1024 la presión interna
actuante se calcula mediante la siguiente expresión:
pi = qh. G.Cpi
(8)
Donde qh es la presión dinámica evaluada a la altura h, G es el factor de
efecto ráfaga y Cpi es el coeficiente de presión interna. La ecuación (8) es en sí
misma una definición del coeficiente de presión interna. El proyecto de
Reglamento CIRSOC 102 no especifica valores de Cpi sino valores del producto
GCpi en función del tipo de cerramiento.
La clasificación de cerramientos se hace en función de la permeabilidad de
las paredes en edificios abiertos, parcialmente cerrados y cerrados. Los valores
del G.Cpi correspondientes para cada tipo de cerramiento se encuentran en la
Tabla 2.
Clasificación de cerramiento
Edificios Abiertos
Edificios parcialmente cerrados
Edificios cerrados
G. Cpi
0,00
+0,55/-0,55
+0,18/-0,18
Tabla 2. Valores de coeficientes de presión interna según el Proyecto de
Reglamento argentino CIRSOC 102.
El Proyecto de Reglamento CIRSOC 1024 define que un edificio es
parcialmente cerrado cuando tiene una o más aberturas dominantes, esta
situación se verifica cuando se cumplen las siguientes condiciones:
- El área total de aberturas en una pared expuesta a presión externa positiva
excede la suma de las áreas de aberturas en el resto de la envolvente en más del
10%.
- El área total de aberturas en una pared expuesta a presión externa positiva
excede el valor menor entre 0,4 m² ó el 1% del área de dicha pared, y el
porcentaje de aberturas en el resto de la envolvente del edificio no excede el 20%.
Se observa que este reglamento no diferencia los casos de estructura
permeable y estructura con abertura dominante, y además la definición de
abertura dominante no coincide con la citada por Cook3. Mientras que el caso de
estructura porosa está contemplado en el análisis de edificios cerrados.
La norma brasileña y la norma europea calculan la presión interna a partir
de la siguiente expresión:
pi = q. Cpi
(9)
En la Norma Brasileña NBR 6123-19875, el coeficiente de presión interna
se obtiene a partir del índice de permeabilidad y de la ubicación de la abertura
dominante.
Esta Norma define como abertura dominante a aquella abertura cuya área
es igual o superior al área total de las aberturas que constituyen la permeabilidad
de la edificación y no plantea una diferencia entre las situaciones de abertura
dominante y estructura permeable. Además, permite un análisis más detallado al
asignar distintos coeficientes en función de la ubicación de la abertura respecto a
la dirección del viento incidente y de la relación entre la abertura principal y las
demás aberturas. Los coeficientes de presión que se obtienen varían entre -0,9 y
+ 0,8 siendo mayores a los indicados en el reglamento Argentino.
El análisis de estructuras porosas lo hace a través del concepto de índice
de permeabilidad de una parte de la edificación, que es la relación entre el área
de las aberturas existentes y el área total de la parte analizada. Y señala que un
valor típico de este índice para viviendas y oficinas, con todas las puertas y
ventanas cerradas está comprendido entre 0,01 % y 0,05 %. En este caso el
coeficiente de presión interna a adoptar es el más desfavorable entre -0,2 y 0.
En la norma europea ENV 19916 el coeficiente de presión interna es
función de la relación de abertura µ, que se define como:
µ = Σ aberturas a sotavento y en paredes laterales/Σ aberturas totales
Por lo tanto si la estructura es permeable, el valor del coeficiente de presión
interna varia entre 0,8 y -0,5.
Esta norma considera que una abertura es dominante si la relación entre
su área y el área de las demás aberturas es mayor a 10. Esta definición de
abertura dominante coincide con la citada por Cook3. Si se ingresa a la Figura 3
con un valor de relación de áreas igual o mayor a diez se obtiene que la presión
interna es igual a la presión externa que actúa sobre la abertura cerrada, lo que
justifica el criterio empleado por la norma para definir cuando una abertura es
dominante. El caso de estructura porosa no es explícitamente contemplado.
5. Determinación de presiones internas en un túnel de viento
La determinación de las presiones internas de diseño se puede hacer
mediante el procedimiento iterativo presentado en la sección 3.1, o tomarlo del
reglamento CIRSOC 102 o a través de ensayos sobre modelos reducidos en túnel
de viento. El procedimiento más rápido es el del CIRSOC 102, pero, como se verá
esta sección, puede conducir a sobreestimaciones significativas de las cargas
sobre estructuras de gran tamaño. Respecto al método de la sección 3, es
importante señalar que para su correcta aplicación es necesario conocer la
distribución de las presiones externas sobre todas las paredes del edificio.
El Proyecto de Reglamento Argentino CIRSOC 1024 establece en el
capítulo 6, que los ensayos en túneles de viento se deben utilizar para los casos
que se consideran en el artículo 5.2 en reemplazo de los métodos citados en el
Reglamento. Los casos citados en el artículo 5.2 son: cuando el edificio o
estructura no es de forma regular, o posee características de respuesta que den
lugar a cargas transversales de viento, desprendimientos de vórtices, inestabilidad
debida a galope o a flameo.
Este es el caso de un estadio polideportivo con capacidad para 4000
espectadores sentados, que está en construcción en la ciudad de Formosa. Por
sus grandes dimensiones y geometría no convencional, no es adecuada la
aplicación directa del Reglamento CIRSOC 102 para determinar la acción del
viento sobre dicha estructura y es necesario recurrir a un ensayo en túnel de
viento. Las condiciones de ensayo para la determinación de fuerzas y presiones
medias y fluctuantes son enumeradas en el artículo 6.2 del Reglamento
Argentino.
En el año 2005 el Laboratorio de Aerodinámica de la Facultad de Ingeniería
de la UNNE efectuó, a solicitud del estudio de ingeniería Bernal & Asoc., un
estudio para determinar los coeficientes de carga de diseño debidos a la acción
del viento sobre la cubierta de la tribuna del polideportivo.
Para ello se utilizó una simulación de viento natural de espesor parcial, con
exponente de la ley potencial de velocidades medias n = 0,14 y un modelo
construido en escala 1:120 (Fig. 4).
En este trabajo se analizan las presiones internas en el estadio para tres
situaciones diferentes de permeabilidad. En la primera el análisis se efectúa en el
estadio sin los parasoles montados y con las lucernas abiertas, a continuación
con los parasoles montados y las lucernas abiertas y finalmente con los parasoles
montados pero con las lucernas cerradas. En cada caso el estudio se realizó para
las dos direcciones de viento más desfavorables que son las direcciones de 0
grado y 30 grados, tal como se ve esquemáticamente en la Figura 5.
Figura 4. Modelo del estadio polideportivo de Formosa.
Viento
incidente a 30º
Viento
incidente a 0º
Figura 5. Esquema de las direcciones de viento analizadas en este informe.
5.1 Metodología empleada y resultados obtenidos
Para la determinación del coeficiente de presión interna se emplea la
expresión (10); donde q es la presión dinámica de referencia y ∆pi (11) es la
diferencia entre presión estática en el punto analizado pA, y la presión estática
correspondiente al flujo no perturbado, pB;
Cpi = ∆pi/q
(10)
∆pi = pB - pA
(11)
Los valores de ∆pi se determinan en ensayos experimentales mediante
tomas de presión estática, las cuales se distribuyen adecuadamente para hallar
las presiones que actúan sobre distintas zonas de una estructura.
En la Figura 6 se ve el modelo empleado para la determinación experimental
de las presiones internas en el polideportivo.
Figura 6. Modelo empleado para la determinación experimental de las presiones
internas en el polideportivo.
Los resultados de los ensayos se presentan como curvas de isodesviación
de coeficientes de presiones internas para cada uno de los casos de análisis. En
la sección 6 se comparan los resultados experimentales con los obtenidos con el
Proyecto de Reglamento Argentino CIRSOC 1024.
5.1.1. Primer caso de análisis: Presiones internas sin parasoles y con
lucernas abiertas.
El ensayo consistió en la toma de presiones estáticas efectivas mediante
47 tomas de presión distribuidas en la mitad de la superficie de la cubierta.
También durante todo el ensayo se midió la presión dinámica de referencia y se
calcularon los coeficientes de presión interna empleando la ecuación (10). El
ensayo se efectuó para viento incidiendo a 0 grados y a 30 grados.
Con los coeficientes de presión interna obtenidos se realizaron las curvas
de isodesviación de coeficientes de presiones internas que se aprecian en la
Figura 7 para una dirección de viento incidente de 0º, y en la Figura 8, para un
viento incidente a 30º. En ambos gráfico se observa una distribución no uniforme
de los Cpi que varían para la dirección de viento incidiendo a 0º entre 0,19 y -0,46.
A partir de los valores determinados de coeficientes de presión interna en
ambas direcciones se efectuó un promedio ponderado de los mismos asignando
para ello distintas áreas de acción en función de la ubicación de las tomas de
presión. Para una dirección de viento incidiendo a 0º el valor de Cpi resultó igual a
-0,07 y para viento incidiendo a 30º se obtuvo un Cpi de – 0,03.
0,00
0,00
0,00
20
-0,
0,00
-0,1
0
-0,15
-0,10
5
,0 ,10
-0 -0
0
0,00,100
- ,2
-0
0
,1 0 0
-0 0 ,
0 ,00
0,00
Figura 7. Coeficientes de presión interna para la estructura sin parasoles; con
viento actuando a 0º y con las lucernas abiertas.
0,00
0, 00
0,10 0,0
0
0,00
-0 ,0 50
1
- 0,
5
-0,1
0
0,0
-0,10
20
0,00
0,
- 0,
05
0,00
1
-0,
0
0,05
0,05
0 ,0
0
0,0 0
-0
,1
0
0
0,1
Figura 8. Coeficientes de presión interna para la estructura sin parasoles; con
viento actuando a 30º y con las lucernas abiertas.
5.1.2. Segundo caso de análisis: Presiones interiores con parasoles
montados en el estadio y lucernas abiertas
Una vez montados los parasoles la permeabilidad vendrá dada por las
pequeñas aberturas dejadas por los parasoles que serán instalados en el estadio
y por las aberturas de las lucernas.
Los parasoles a instalar en el estadio consisten en chapas de hierro
galvanizadas Nº 24 onduladas de 3,05 m de longitud que posee un radio de
curvatura de 8 m que se sujetan mediante una estructura metálica formada por
vigas reticuladas y perfiles de hierro. Justamente, son las vigas reticuladas las
que permiten el paso del flujo de aire y hacen a la estructura permeable.
A partir de las dimensiones de los parasoles se determinó una
permeabilidad del 5%, la cual se materializó en el modelo ensayado. Se procedió
de igual manera que en el caso anterior para la determinación de los coeficientes
de presión interna para las dos direcciones de viento analizadas.
Con los coeficientes de presión interna obtenidos se realizaron las curvas
de isodesviación de coeficientes de presiones internas correspondientes a este
segundo caso que pueden verse en la Figura 9 para una dirección de viento
incidente de 0º, y en la Figura 10, para un viento incidente a 30º. En la Figura 9
se aprecia una zona dominante con Cpi que varían entre -0,25 y –0,30; y un sector
menor en el cual estos coeficientes oscilan entre –0,30 y -0,35. En la Figura 10
se observa un predominio de valor de Cpi entre -0,25 y -0,30; con algunas zonas
puntuales en que estos coeficientes llegan a valer -0,32.
Se puede apreciar como para ambas direcciones las presiones internas se
uniformizaron, verificándose un valor medio de coeficiente de presión interna de 0,29 para viento incidiendo a 0º y de –0,28 para viento incidiendo a 30º.
-0
,3
0
-0,30
-0,
30
,30
-0
-0,30
Figura 9. Coeficientes de presión interna para la estructura con los parasoles
montados; con viento actuando a 0º y con las lucernas abiertas.
-0,28
-0,28
-0,28
-0,28
-0,28
-0,28
-0,28
- 0,
30
-0,28
-0
,3
0
-0
,3
2
Figura 10. Coeficientes de presión interna para la estructura con los parasoles
montados; con viento actuando a 30º y con las lucernas abiertas.
5.1.3. Tercer caso de análisis: Presiones interiores con parasoles montados
en el estadio y lucernas cerradas.
En este último caso se cerraron las lucernas dejando montados los
parasoles, de esta manera la permeabilidad se redujo a un 2,5 %.
Debido a la uniformidad en los valores de presiones estáticas registrados
en el caso anterior se optó por disminuir el número de tomas a 28 distribuidas en
toda la superficie de la cubierta y se procedió análogamente que en el caso
anterior para la determinación de los coeficientes de presión interna para las dos
direcciones de viento analizadas. Las curvas de isodesviación de coeficientes de
presiones internas obtenidas se detallan en la Figura 11 y Figura 12 para viento
incidiendo a 0º y a 30º respectivamente. En éstos gráficos se observa como para
ambas direcciones de viento incidente el valor del coeficiente de presión interna
se uniformiza en torno a -0,20.
-0,20
20
-0,
20
-0,
-0
0
,2
-0
,2
0
-0,20
-0 ,20
-0,20
Figura 11. Coeficientes de presión interna para la estructura con los parasoles
montados; con viento actuando a 0º y con las lucernas cerradas.
-0,20
-0,20
-0,20
-0,20
20
-0,20
- 0,
Figura 12. Coeficientes de presión interna para la estructura con los parasoles
montados; con viento actuando a 30º y con las lucernas cerradas.
5.2. Análisis empleando el Reglamento argentino CIRSOC 102.
En esta sección se determinan los coeficientes de presión interna
empleando el Proyecto de Reglamento CIRSOC 1024 y se comparan con los
resultados del ensayo.
5.2.1. Primer caso de análisis: Presiones interiores sin parasoles montados
en el estadio y lucernas abiertas.
De acuerdo a lo definido en el punto 2.2 la permeabilidad o porosidad de
una edificación se debe a la existencia de aberturas en sus caras exteriores y,
generalmente, se expresa en términos de la relación entre el área efectiva de
descarga, Ad, y la superficie total, At.
Si se analiza la permeabilidad de la estructura sin los parasoles montados,
considerando para ello las aberturas generadas por las lucernas y el espacio libre
por encima de las tribunas en todo el perímetro del estadio; se llega a un índice
de permeabilidad del 34,5 %.
Para determinar los valores de coeficientes de presión que se
corresponden con las distintas situaciones habrá que clasificar, en primer lugar, el
tipo de cerramiento en cerrado, parcialmente cerrado o abierto. De acuerdo a las
definiciones citadas en el capítulo 2 del Proyecto de Reglamento CIRSOC 1024 el
edificio cumple con los requisitos para ser considerado cerrado. Ciertamente, a
priori, resulta difícil comprender porque el estadio a pesar de presentar
importantes aberturas en su perímetro entre dentro de esta clasificación, pero hay
que destacar que el espacio libre por encima de las tribunas es de 4,5 m y la
altura total del estadio de 16 m. En estas circunstancias los coeficientes de
presión a emplear se obtienen de la Tabla 7 del Reglamento y resultan iguales a
+/- 0,18. Se ve que los valores obtenidos a partir de los ensayos son menores a
los estipulados en la Norma.
5.2.2. Segundo caso de análisis: Presiones interiores con parasoles
montados en el estadio y lucernas abiertas.
Si se analiza la permeabilidad de la estructura con los parasoles montados,
procediendo de manera análoga al caso anterior, se obtiene un índice de
permeabilidad del 6 %. Y si se procede al análisis del tipo de edificio de acuerdo
al CIRSOC 1024 se verá que cumple con los requisitos para ser considerado
cerrado. Por ende, los coeficientes que se obtendrán aplicando este Reglamento
serán los mismos que los obtenidos para el estadio sin parasoles montados.
5.2.3. Tercer caso de análisis: Presiones interiores con parasoles montados
en el estadio y lucernas cerradas.
Al analizar la permeabilidad de la estructura con los parasoles montados y
con las lucernas abiertas la permeabilidad se debe a la permeabilidad propia de
los parasoles y resulta igual a 2,5 %
En estas condiciones nuevamente de acuerdo al Reglamento argentino, se
corresponde la edificación con un edificio cerrado. Y por ende le corresponderán
valores de coeficientes de presión interna de ±0,18.
5.3. Comparación y discusión de los resultados obtenidos
Los resultados obtenidos se resumen en la Tabla 3 para ambas direcciones
de viento incidente.
Se observa que al analizar el polideportivo en las tres situaciones de
permeabilidad responde a los requerimientos como para considerarse cerrada, y
en consecuencia, si se aplica el reglamento se obtendrán los mismos coeficientes
de presión interna, independientemente, además, de la dirección del viento
incidente.
Ensayo en túnel de viento
Caso de análisis
1
2
3
Ángulo de Incidencia del viento
0º
30º
-0,07
-0,03
-0,29
-0,29
-0,20
-0,20
Determinación según
procedimiento del
CIRSOC 102.
+ 0,18
+ 0,18
+ 0,18
-0,18
-0,18
-0,18
Tabla 3. Tabla resumen de coeficientes de presión.
Para las condiciones de estudio 1 y 2 los valores de Cpi medidos difieren
significativamente a los obtenidos mediante el empleo del Reglamento Argentino;
en tanto que para el tercer caso los valores se aproximan.
El coeficiente de presión neta es la diferencia entre el coeficiente de
presión externa y el coeficiente de presión interna (ecuación 12). Mediciones en
túnel de viento del coeficiente de presión externa dieron un valor medio
ponderado de aproximadamente -0,40 para viento incidiendo a 0º. Esto significa
que la acción resultante de las presiones externas es una fuerza vertical dirigida
hacia arriba. Los resultados de los experimentos del caso 2, que es la condición
de servicio de la estructura, muestran que esta fuerza vertical es compensada en
un 75% por la acción resultante de las presiones internas, que está dirigida hacia
abajo. Si se toma en cambio para el caso 2 el valor de Cpi = 0,18 que recomienda
el reglamento, la carga neta es sobrevalorada en un 480%.
Cp = Cpe - Cpi
(12)
Este análisis evidencia la importancia de realizar un estudio detallado de la
acción del viento cuando las estructuras son atípicas y no se encuentran dentro
de las establecidas por la normativa, debido a que la falta de precisión en la
valoración de las presiones internas puede tener como consecuencia una mayor
inversión económica en la construcción o riesgos de falla durante su vida útil.
6. Conclusiones
En este trabajo se han discutido los factores que influyen en los valores
resultantes de presiones internas en edificios y el tratamiento que algunas
normativas hacen sobre el tema.
El tratamiento de presiones internas que hace la literatura especializada
tiene matices conceptuales, de acuerdo a los diferentes autores, que pueden
introducir cierta confusión en los debates técnicos. Por ejemplo, la definición de
abertura dominante que hace norma europea y la norma brasileña responde a
distintos conceptos. Esta ambigüedad en el uso de la terminología se transmite
también al tratamiento que el CIRSOC 102 hace sobre el tema. Por eso en la
sección 2 de este trabajo se definen algunos conceptos básicos para hacer un
tratamiento consistente del tema.
Por último, se presentaron resultados de un estudio experimental de
presiones internas de un edificio de grandes dimensiones para mostrar la
magnitud de los errores que se pueden cometer al aplicar un reglamento a un
caso de una estructura tan singular.
7. Bibliografía
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Univesidade Federal do Rio Grande do Sul, 2001
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Federal do Rio Grande do Sul, 1991.
N.J. Cook, The designer's guide to wind loading of building structures, Part 2:
static structures, Building Research Establishment report, London (1990).
Proyecto de Reglamento Argentino de Acción del viento sobre las
construcciones CIRSOC 102.
Norma Europea ENV 1991 –2-4 Actions on Structures – Wind Actions.
Norma brasileña NBR 6123, Forças Devidas ao Vento em Edificações
(1998).