Capítulo 3. Demanda por viento

3.1 Velocidad básica del viento

3.1.1 Definición

La velocidad básica del viento, Vb, se define como la velocidad de ráfaga de 3 segundos medida a una altura de 10 metros sobre el terreno en un sitio con categoría de exposición III para un periodo de retorno de 50 años (probabilidad de excedencia de 63.5% en una vida útil de 50 años). Se considera que el viento procede de cualquier dirección horizontal.

3.1.2 Zonificación de la intensidad de los vientos para el territorio nacional Para la determinación de la velocidad básica del viento en Costa Rica, debe usarse la zonificación mostrada en la Figura 0-1 y la división política y administrativa indicada en la Tabla 3-1.

Tabla 0-1: Zonificación de la intensidad de los vientos según provincias, cantones y distritos

* Limite o frontera es la Ruta Interamericana

Figura 0-1: Zonificación eólica de Costa Rica

* Refierase a la Tabla 0-3

3.1.3 Determinación alternativa de la velocidad básica

Para un sitio específico, se permite el uso de datos climáticos regionales para determinar la velocidad básica del viento. Sin embargo, esta velocidad determinada a partir de datos climáticos podrá ser utilizada en lugar de la velocidad indicada en el mapa de zonificación de la Figura 0-1 solamente cuando se cumplan todos los siguientes requisitos:

a. Se hayan utilizado procedimientos reconocidos de análisis estadístico de valores extremos para procesar la serie de datos.

b. Se hayan tomado en cuenta el efecto del error de muestreo, la frecuencia de muestreo, los valores máximos de ráfaga, la altura del anemómetro, la dirección de viento y la exposición del terreno en el sitio del anemómetro.

c. La velocidad básica Vb (para un período de retorno TR = 50 años) determinada de esta forma no podrá ser menor que 90 km/h.

En regiones propensas a huracanes, se permite el uso de velocidades de viento derivadas mediante técnicas de simulación, en lugar de la velocidad indicada en el mapa de zonificación eólica de Costa Rica, en la Figura 0-1 y en la Tabla 0-1, solamente cuando se cumplan todos los siguientes requisitos:

a. Se hayan utilizado procedimientos probados de simulación o análisis estadístico de valores extremos registrados durante huracanes anteriores. (El uso de datos climáticos regionales obtenidos de anemómetros no está permitido para definir el riesgo de velocidad de viento de huracán para todo el territorio nacional).

b. Independientemente de los resultados del estudio de simulación o regresión estadística, la velocidad básica Vb (para un período de retorno TR = 50 años) no podrá tomarse como inferior a 90 km/h.

3.1.4 Limitaciones

La magnitud de la velocidad del viento producida por tornados no ha sido considerada en el desarrollo del mapa de zonificación eólica de Costa Rica, en la Figura 0-1.

3.2 Presión básica del viento

La presión básica del viento es la presión de referencia que produce el viento al impactar contra las superficies de la edificación. La presión básica se calcula a partir de la velocidad básica del viento (V_b) mediante la siguiente ecuación:

Donde V_b es la velocidad básica del viento en km/h que se obtiene de la Figura 0-1.

3.3 Presión de viento

La presión de viento evaluada a la altura z sobre el terreno, será calculada con la siguiente expresión:

Donde:

q(z): Presión de viento a la altura z.

q_b: Presión básica del viento, determinada según la Ecuación 0-1.

C_e: Coeficiente de exposición a la altura z.

C_r: Coeficiente de recurrencia.

C_t: Coeficiente topográfico.

C_d: Coeficiente de direccionalidad.

3.3.1 Coeficiente de exposición, ____         

El perfil vertical de la presión de viento para diseño será dado por la siguiente expresión:

Donde, para la categoría de exposición del sitio, se define:

z : Altura a la cual se evalúa la presión de viento medida a partir de la superficie del terreno. (m)

z_ge: Altura de la capa límite. (m)

?_e: Parámetro de rugosidad.

z_min,e: Altura de presión mínima. (m)

3.3.1.1 Categoría de exposición del sitio

Para cada dirección de viento considerada, el coeficiente de exposición Ce(z) debe ser calculado considerando los parámetros asociados a la categoría de exposición del sitio. Estos parámetros se indican en la Tabla 0-2.

Para sitios en zonas de transición, se aplica la categoría de exposición que resulte en las cargas de viento más altas, a menos que el profesional responsable del diseño pueda justificar otra exposición con base en un análisis racional sustentado en literatura reconocida.

Tabla 0-2: Parámetros de exposición del sitio

Notas:

1. Si h ? 8.0 m, entonces Lexp = 450 m.

2. Se aplica cuando predomina rugosidad C, o cuando no se aplica ninguna de las categorías de exposición.

3. Se aplica también cuando la rugosidad predominante es B o C y el sitio se encuentra a una distancia menor que 200 m o 20 h de una condición de rugosidad D. Se explica en la Figura 0-3.

Donde h es igual a la altura de la edificación medida desde el terreno hasta la altura promedio del techo. Cuando el techo tenga una pendiente inferior a 10 grados, la altura se medirá a la parte inferior del techo. Cuando la pared termine en un parapeto, la altura será la mayor entre la altura máxima del parapeto y la altura promedio del techo.

Figura 0-2: Definición de h

Figura 0-3: Caso especial para rugosidad D

3.3.1.2 Rugosidad del terreno

La rugosidad predominante del terreno se clasifica en uno de los cuatro tipos descritos a continuación:

a. Rugosidad Tipo A: Centros urbanos de gran tamaño, donde al menos el 50 % de las edificaciones tiene una altura mayor que 21 m.

b. Rugosidad Tipo B: Áreas urbanas y suburbanas, bosques u otros terrenos con obstrucciones del tamaño de una casa de habitación unifamiliar o mayores cercanas entre sí.

c. Rugosidad Tipo C: Áreas abiertas con obstrucciones dispersas, generalmente con alturas menores que 8 m; incluye terrenos planos abiertos, sabanas o pastizales.

d. Rugosidad Tipo D: Áreas planas y libres de obstáculos o superficies de cuerpos de agua.

3.3.1.3 Dirección del viento y sectores de rugosidad

Para cada una de las direcciones de viento consideradas, la exposición del sitio debe ser determinada para dos sectores de 45 grados, que se extienden a cada lado de la edificación, por una distancia Lexp opuesta al viento en la dirección considerada. Esto se muestra en la Figura 0-4. Se considerará para el sitio, la rugosidad del sector que resulte en las mayores cargas de viento para diseño.

Figura 0-4: Sectores de rugosidad

3.3.1.4 Variación del coeficiente de exposición con la altura

El valor del coeficiente de exposición, Ce(z) dada en Figura 0-5, es válido hasta una altura máxima de 200 m sobre el terreno. Para alturas mayores, se debe utilizar métodos especiales para determinar las presiones de viento sobre la edificación. En la Figura 0-5 se muestra la variación del coeficiente de exposición con la altura para cada categoría de exposición.

Figura 0-5: Coeficiente de exposición según la altura y la categoría de exposición

3.3.2 Coeficiente de recurrencia, Cr

El coeficiente de recurrencia toma en cuenta el aumento o disminución de la velocidad del viento cuando ésta se asocia con un período de retorno diferente a 50 años. Este coeficiente será determinado como lo indica la Tabla 0-3.

Tabla 0-3: Coeficiente de recurrencia

Donde TR es el período de retorno de diseño en años según la Tabla 0-2: Período de retorno según nivel de demanda.

El valor de Cr = 3 (valor máximo de la Tabla 3-3 para los periodos de retorno considerados) recomendado para la Zona I toma en consideración la probabilidad de ocurrencia de un huracán de baja intensidad.

La Figura 0-6, muestra la variación de este coeficiente respecto al periodo de retorno considerado, según la ecuación de la Tabla 0-3.

Figura 0-6: Variación del coeficiente de recurrencia con el TR

3.3.3 Coeficiente topográfico, C_t

Los efectos del cambio de la velocidad del viento en cerros, sierras y escarpes que constituyen cambios repentinos de la topografía general del área, ubicados en cualquier categoría de exposición, deberán ser incluidos en el diseño cuando las edificaciones y la topografía cumplan con todas las siguientes condiciones:

1- El cerro, sierra o escarpe está aislado y libre de obstrucciones hacia barlovento por otras características topográficas similares por una distancia de 100 veces la altura del cerro, sierra o escarpe (100 H) o 3.2 kilómetros, el menor de los dos valores. Esta distancia se medirá horizontalmente desde el punto en donde la altura H del cerro, sierra o escarpe se determina.

2- El cerro, sierra o escarpe sobresale por encima de la altura de cualquier accidente geográfico hacia barlovento dentro de un radio de 3.2 kilómetros por un factor de 2 o más.

3- La edificación está ubicada como muestra la Figura 0-7 en la mitad superior de la sierra o cerro o cerca de la cresta de un escarpe.

4- H/Lh ? 0.2

5- H es mayor o igual a 4.5 metros para exposiciones C y D, y 18 metros para exposiciones A y B.

Donde H y L_h se definen en la Figura 0-7.

El efecto de aceleración del viento se incluirá en el cálculo de las cargas de diseño utilizando el factor C_t:

C_t(z) = (1+ C₁C₂C₃)2                                      Ecuacion 0-4

Donde C₁, C₂ y C₃ se obtienen de la Figura 0-7, o pueden ser determinados según las siguientes ecuaciones:

C₁ se determina de la Tabla 0-4.

Donde µ, ? y x se definen en la Figura 0-7.

Tabla 0-4: Parámetros para la aceleración sobre sierra, cerros y escarpes

Si las condiciones de la ubicación de la edificación no se ajustan a lo descrito en la Figura 0-7 entonces C_t =1.0

3.3.4 Coeficiente de direccionalidad

El coeficiente de direccionalidad considera la probabilidad de ocurrencia simultánea de la máxima velocidad del viento en todas las direcciones de análisis. En general, es menor que 1.0 y está dado según la forma y el tipo de edificación, en la Tabla 0-5. Este coeficiente debe ser usado únicamente con las combinaciones de carga indicadas en el Capítulo 0. El coeficiente de direccionalidad debe ser considerado igual a 1.0 para las condiciones de servicio indicadas en el Capítulo 0.

El coeficiente de direccionalidad debe ser tomado igual a 0.85 para todas las edificaciones y componentes, excepto para las que se indican en la Tabla 0-5.

Tabla 0-5: Coeficiente de direccionalidad

Fuente: ASCE 7-10 Tabla 26.6-1