La construcción  de edificios altos sensibles al viento en México se ha incrementado en la última década. Aunque la normativa y manuales incluyen métodos de vanguardia para el análisis de estructuras ante acciones eólicas, aún no se ha propuesto un método integral y práctico para la evaluación del estado límite de servicio, en términos de la aceleración inducida por el viento. El principal objetivo de este trabajo es desarrollar factores de aceleración que puedan ser empleados para evaluar el estado límite de servicio, en términos de aceleración, para la verificación del diseño. Para el desarrollo de estos factores, se consideran las características del clima de viento de México, la incertidumbre en la respuesta estructural, las propiedades dinámicas y la probabilidad de percepción de la aceleración. Finalmente, con un ejemplo de aplicación se muestra una expresión práctica para calcular los factores de aceleración.

En años recientes, en México se ha incrementado la construcción de edificios de más de 200 metros. Los modernos métodos de análisis estructural y el desarrollo de nuevas técnicas de construcción han reducido el tiempo de construcción. Aunado a lo anterior, con el uso de nuevos materiales de construcción con alta resistencia y bajo peso está garantizado el estado límite último de estos edificios; sin embargo, se deben evaluar los requerimientos de servicio para asegurar que loe edificios diseñados sean adecuados en términos de habitabilidad. La vibración inducida por el viento en edificios altos es generalmente evaluada en términos de la aceleración máxima promedio o la desviación estándar de la aceleración.

La primera se asocia con el temor por la seguridad (temor por percibir una aceleración importante) y la segunda se suele asociar con efectos fisiológicos (mareos por estar sometido a una aceleración por un intervalo de tiempo). Algunos códigos y normas internacionales incluyen curvas de percepción de la aceleración como función de la frecuencia (ISO10137, 2007; AIJ, 2004). Estas curvas son empleadas para comparar la aceleración máxima promedio, la cual es calculada con base en expresiones analíticas o estudios experimentales, y verificar que el nivel de aceleración sea aceptable de acuerdo con el grado de confort requerido. Aunque la normativa y los manuales mexicanos incluyen métodos de análisis de estructuras de vanguardia, aún no está disponible un método integral y práctico para la evaluación del estado límite del servicio, en términos de la aceleración inducida por el viento. El principal objetivo de este trabajo es desarrollar factores de aceleración que puedan ser empleados para evaluar el estado límite de servicio, en términos de aceleración, para la verificación del diseño. Para el desarrollo de estos factores, se consideran las características del clima de viento en México, la incertidumbre en la respuesta estructural, las propiedades dinámicas y la probabilidad de percepción de la aceleración. Finalmente, se propone una curva para calcular los factores de aceleración y se muestra su empleo con un ejemplo de aplicación.

Curvas de percepción de aceleración

Algunos códigos y manuales proponen el uso de curvas de percepción de aceleración que dependen de la frecuencia y el uso del edificio. En la norma ISO10137(2007) se proponen dos curvas para evaluar el nivel de aceleración máxima promedio, una para edificios de uso residencial y otra para oficinas. Estas curvas están asociados con un periodo de retorno de un año. Por otro lado, en la norma japonesa (AIJ, 2004) se sugieren como lineamientos curvas de percepción de aceleración máxima promedio que depende de la frecuencia para diferentes niveles de percepción de la aceleración: estas curvas también están asociadas con un periodo de retorno de un año. En la práctica mexicana, la versión 2004 de la Norma Técnica Complementaria para el Diseño por Viento (NTCDV, 2004) indica como límite de aceptación de la aceleración máxima un valor de 40 mili-g (0.04 veces la aceleración de la gravedad, valor muy por arriba de los criterios de aceleración empleados en la práctica internacional). En esta norma no se provee información acerca del valor del periodo de retorno con el cual debe ser calculada la aceleración ni se considera la dependencia de la frecuencia del límite de aceleración propuesto. Otra referencia popular para el diseño por viento en México es el Manual de Diseño de Obras Civiles (MOCDV, 2008) de la CFE,  el cual propone el uso de límites de aceleración máxima promedio para edificios de uso residencial, y de oficinas. EL MOCDV (2008) indica que para frecuencias menores que 0.1 Hz se debe emplear un límite de aceleración igual a 15 mili-g para edificios de oficinas y de 10 mili-g para edificios de uso residencial,  y que para frecuencias de alrededor de 1 Hz deben usarse los límites de 7.5 y 5 mili-g para edificios de oficinas y edificios de uso residencial, respectivamente.  En el MOCDV (2008) se indica que la aceleración máxima promedio puede ser calculada con velocidades con periodos de retorno de 10 a 50 años. 

Se realiza aquí una comparación de las curvas de percepción de aceleración de las normas internacionales (ISO10137, 2007; AIJ, 2004) y los límites de aceleración indicados en la NTCDV (2004) y el MOCDV (2008) para velocidades de viento con periodo de retorno de 10 años  y un tiempo promedio de 10 minutos. 

Evaluación de factores de aceleración para la verificación del diseño de edificios sensibles al viento

Aceleración máxima promedio

Considérese que una estructura es sometida a la acción del viento y que la respuesta es dominada por el modo fundamental en traslación. En estas condiciones, la desviación estándar y la respuesta máxima pueden ser fácilmente calculadas con expresiones propuestas en códigos o manuales. En México, una expresión para calcular la aceleración máxima promedio de edificios prismáticos sometidos a fuerzas de viento se propone en el MOCDV (2008). 

Cálculo de factores de aceleración

Los análisis realizados mostraron que los factores de aceleración, denotados por F al, depende de las características del viento y de la probabilidad de percepción de la aceleración  P fp0. Con base en los resultados de estos análisis, la curva propuesta para calcular los factores de aceleración F al con respecto a P fp0. para la calibración de los factores de aceleración se empleó la curva H-50 (AIJ, 2004). El lector interesado puede revisar otras referencias del autor, donde se describe con detalle el procedimiento de calibración de los factores de aceleración y se presentan expresiones simplificadas que pueden emplearse para evaluar la aceleración inducida por el viento en edificios altos. Estas expresiones simplificadas incluyen factores que toman en cuenta las características del viento para el cálculo de la respuesta.

Conclusiones

Se propusieron factores de aceleración que pueden ser utilizados para la evaluación del estado límite de servicio, en términos de aceleración, para edificios altos. Para el desarrollo de estos factores se emplearon las características del clima de viento e México, la incertidumbre en la respuesta estructural, las propiedades dinámicas y la probabilidad de percepción de la aceleración.  Se mostró el empleo de estos factores con un ejemplo numérico.

Agradecimientos 

Se agradece el apoyo económico provisto por el Instituto de Ingeniería de la UNAM, a través del proyecto “Propuesta de un estado límite de servicio para edificios sensibles al viento en México”, para el desarrollo de este trabajo. También se agradece el apoyo económico del Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología   .

Esta información fue tomada de la revista IC Ingeniería Civil Órgano oficial del Colegio de Ingenieros Civiles de México, A.C. I Núm. 582/ AÑO LXVIII / ENERO 2018.