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ASCE 7-10 Ejemplo de cálculo de carga de viento

Un ejemplo completamente trabajado de ASCE 7-10 cálculos de carga de viento

SkyCiv lanzó un calculadora de carga de viento libre que tiene varias referencias de código, incluida la ASCE 7-10 procedimiento de carga de viento. En esta sección, vamos a demostrar cómo calcular las cargas de viento, mediante el uso de un modelo de almacén S3D a continuación:

ejemplo-viento-carga-cálculo-captura-1

Figura 1. Modelo de almacén en SkyCiv S3D como ejemplo.

ejemplo-cálculo-carga-viento-captura de pantalla-2

Figura 2. Ubicación del sitio (de Google Maps).

Mesa 1. Datos de construcción necesarios para nuestro cálculo del viento.

Ubicación Córdoba, Memphis, Tennesse
Ocupación Diverso – Estructura de la planta
Terreno Tierras de cultivo planas
Dimensiones 64 ft × 104 ft en plan
Altura del alero de 30 pie
Altura de ápice a elev. 36 pieInclinación del techo 3:16 (10.62°)
Con apertura
Revestimiento Correas espaciadas a 2 pies
Tacos de pared espaciados a 2 pies

En nuestra ASCE 7-10 ejemplo de carga de viento, diseñar presiones de viento para un gran, se determinará la estructura de la planta de tres pisos. Higo. 1 muestra las dimensiones y la estructura del edificio. Los datos del edificio se muestran en la Tabla 1.

Aunque hay una serie de software que tienen el cálculo de la carga de viento ya integrado en su diseño y análisis., solo unos pocos proporcionan un cálculo detallado de este tipo específico de carga. Los usuarios deben realizar cálculos manuales de este procedimiento para verificar si los resultados son los mismos que los obtenidos con el software..

La fórmula para determinar la presión del viento de diseño son:

Para edificios cerrados y parcialmente cerrados.:

\(p = qG{C}_ _{Precios} -{q}_ _{yo}({GC}_ _{Pi})\) (1)

Para edificios abiertos:

\(p = q{GRAMO}_ _{F}{C}_ _{Precios} -{q}({GC}_ _{Pi})\) (2)

Dónde:

\(GRAMO) = factor de efecto de ráfaga
\({C}_ _{Precios}\) = coeficiente de presión externa
\(({GC}_ _{Pi})\)= coeficiente de presión interna
\(q ) = presión de velocidad, en psf, dado por la fórmula:

\(q = 0.00256{K}_ _{con}{K}_ _{zt}{K}_ _{re}V ^ 2 ) (3)

\(q ) = \({q}_ _{h}\) para paredes de sotavento, paredes laterales, y techos,evaluado a la altura media del techo, \(h )
\(q ) = \({q}_ _{con}\) para muros de barlovento, evaluado en altura, \(desde)
\({q}_ _{yo}\) = \({q}_ _{h}\) para presión interna negativa, \((-{GC}_ _{Pi})\) evaluación y \({q}_ _{con}\) para evaluación de presión interna positiva \((+{GC}_ _{Pi})\) de edificios parcialmente cerrados pero se puede tomar como \({q}_ _{h}\) por valor conservador.
\({K}_ _{con}\) = coeficiente de presión de velocidad
\({K}_ _{zt}\)= factor topográfico
\({K}_ _{re}\)= factor de direccionalidad del viento
\(V ) = velocidad básica del viento en mph

Profundizaremos en los detalles de cada parámetro a continuación. Además, estaremos usando el procedimiento direccional (Capítulo 30 de ASCE 7-10) en la resolución del diseño de las presiones del viento.

Categoría de riesgo

Lo primero que debe hacer para determinar las presiones del viento de diseño es clasificar la categoría de riesgo de la estructura que se basa en el uso o la ocupación de la estructura.. Para este ejemplo, ya que esta es una estructura de planta, la estructura se clasifica como Categoría de riesgo IV. Ver tabla 1.5-1 de ASCE 7-10 para más información sobre clasificación de categorías de riesgo.

Velocidad básica del viento, \(V )

La ASCE 7-10 proporciona un mapa del viento donde se puede obtener la velocidad del viento básica correspondiente de una ubicación de las Figuras 26.5-1A a 1C. La categoría de ocupación se define y clasifica en el Código Internacional de Construcción.

Al ver los mapas de viento, tomar el número de categoría más alto de la categoría de riesgo u ocupación definida. En la mayoría de los casos, incluyendo este ejemplo, Ellos son iguales. De la figura 26.5-1B, Córdoba, Memphis, Tennessee está de alguna manera cerca del punto rojo en la figura 3 abajo, y a partir de ahí, la velocidad básica del viento, \(V ), es 120 mph. Tenga en cuenta que para otras ubicaciones, necesitaría interpolar el valor básico de la velocidad del viento entre los contornos del viento.

ejemplo-cálculo-carga-viento-captura de pantalla-3, ejes 7 10 carga de viento

Figura 3. Mapa básico de velocidad del viento de ASCE 7-10.

SkyCiv ahora automatiza los cálculos de velocidad del viento con algunos parámetros. Tratar nuestro Herramienta de viento libre SkyCiv

Categoría de exposición

Mira la sección 26.7 de ASCE 7-10 detalla el procedimiento para determinar la categoría de exposición.

Dependiendo de la dirección del viento seleccionada, La exposición de la estructura se determinará a partir del sector del viento a 45 °.. La exposición a adoptar debe ser la que produzca la mayor carga de viento desde dicha dirección..

La descripción de cada clasificación de exposición se detalla en la Sección 26.7.2 y 26.7.3 de ASCE 7-10. Para ilustrar mejor cada caso, En la siguiente tabla se muestran ejemplos de cada categoría..

Mesa 2. Ejemplos de áreas clasificadas según la categoría de exposición. (Capítulo C26 de ASCE 7-10).

Exposición Ejemplo
Exposición B
  • Área residencial suburbana con viviendas en su mayoría unifamiliares – Estructuras de baja altura, menos que 30 ft de altura, en el centro de la fotografía tienen sitios designados como exposición b con rugosidad de la superficie del terreno Categoría B alrededor del sitio para una distancia mayor que 1500 ft en cualquier dirección del viento.
  • Un área urbana con numerosas obstrucciones estrechamente espaciadas que tienen el tamaño de viviendas unifamiliares o más grandes. – Para todas las estructuras mostradas, El terreno representativo de la rugosidad de la superficie categoría b se extiende más de veinte veces la altura de la estructura o 2600 pie, lo que sea mayor, en dirección contra el viento. Las estructuras en primer plano se encuentran en la exposición B – Estructuras en la parte superior central de la fotografía adyacente al claro a la izquierda, que es mayor que aproximadamente 656 pies de longitud, están ubicados en la exposición c cuando el viento viene de la izquierda sobre el claro.
Exposición C
  • Praderas abiertas planas con obstrucciones dispersas que tienen alturas generalmente menores a 30 pie.
  • Terreno abierto con obstrucciones dispersas que tienen alturas generalmente menores a 30 ft para la mayoría de las direcciones del viento, todas las estructuras de 1 piso con una altura media del techo inferior a 30 ft en la fotografía son menos de 1500 ft o diez veces la altura de la estructura, lo que sea mayor, de un campo abierto que impide el uso de la exposición B.
Exposición D
  • Un edificio en la costa (excluyendo costas en regiones propensas a huracanes) con viento que fluye sobre aguas abiertas por una distancia de al menos 1 milla. Las costas en la exposición D incluyen vías navegables interiores, los grandes Lagos, y zonas costeras de California, Oregón, Washington, y Alaska.


Para nuestro ejemplo, dado que la ubicación de la estructura está en tierras de cultivo en Córdoba, Memphis, Tennesse, sin edificios más altos que 30 pie, por lo tanto, el área se clasifica como
Exposición C. Una herramienta útil para determinar la categoría de exposición es ver su sitio potencial a través de una imagen satelital (Google Maps por ejemplo).

Factor de direccionalidad del viento, \({K}_ _{re}\)

Los factores de direccionalidad del viento., \({K}_ _{re}\), para nuestra estructura son ambos iguales a 0.85 dado que el edificio es el principal sistema resistente a la fuerza del viento y también tiene componentes y revestimientos unidos a la estructura. Esto se muestra en la tabla 26.6-1 de ASCE 7-10 como se muestra a continuación en la figura 4.

ejemplo-cálculo-carga-viento-captura de pantalla-4

Figura 4. Factor de direccionalidad del viento basado en el tipo de estructura (Mesa 26.6-1 de ASCE 7-10).

Factor topográfico, \({K}_ _{zt}\)

Dado que la ubicación de la estructura está en tierras de cultivo planas, podemos suponer que el factor topográfico, \({K}_ _{zt}\), es 1.0. De otra manera, el factor puede resolverse usando la figura 26.8-1 de ASCE 7-10. Para determinar si se requieren cálculos adicionales del factor topográfico, mira la sección 26.8.1, si su sitio no cumple con todas las condiciones enumeradas, entonces el factor topográfico se puede tomar como 1.0.

ejemplo-cálculo-carga-viento-captura de pantalla-5

Figura 5. Parámetros necesarios en el cálculo del factor topográfico, \({K}_ _{zt}\) (Mesa 26.8-1 de ASCE 7-10).

Nota: Los factores de topografía se pueden calcular automáticamente usando Software de diseño de viento SkyCiv

Velocidad Coeficiente de presión, \({K}_ _{con}\)

El coeficiente de presión de velocidad, \({K}_ _{con}\), se puede calcular usando la tabla 27.3-1 de ASCE 7-10. Este parámetro depende de la altura sobre el nivel del suelo del punto donde se considera la presión del viento, y la categoría de exposición. Además, los valores mostrados en la tabla se basan en la siguiente fórmula:

Para 15 pies < \({con}\) < \({con}_ _{gramo}\): \({K}_ _{con} = 2.01(con/{con}_ _{gramo})^{2/una}\) (4)
por \({con}\) < 15pie: \({K}_ _{con} = 2.01(15/{con}_ _{gramo})^{2/una}\) (5)

Dónde:

Mesa 3. Valores de y \({con}_ _{gramo}\) de la mesa 26.9-1 de ASCE 7-10.

Exposición una \({con}_ _{gramo}\)(pie)
si 7 1200
C 9.5 900
re 11.5 700


Generalmente, coeficientes de presión de velocidad a la altura media del techo, \({K}_ _{h}\)
, y en cada nivel de piso, \({K}_ _{día}\), son los valores que necesitaríamos para resolver las presiones del viento de diseño. Para este ejemplo, dado que la presión del viento en el lado de barlovento es de naturaleza parabólica, Podemos simplificar esta carga asumiendo que se aplica una presión uniforme en las paredes entre los niveles del piso..

La estructura de la planta tiene tres (3) pisos, así que dividiremos la presión de barlovento en estos niveles. Además, ya que el techo es a dos aguas, la altura media del techo se puede tomar como el promedio de aleros del techo y la elevación del ápice, cual es 33 pie.

Mesa 4. Valores calculados del coeficiente de presión de velocidad para cada altura de elevación.

Elevación (pie) \({K}_ _{con}\)
10 0.85
20 0.90
30 0.98
33 1.00 \({K}_ _{Z h}\)

Presión de velocidad

De la ecuación (3), podemos resolver la presión de velocidad, \(q ) en PSF, en cada elevación que se considera.

Mesa 5. Valores calculados de presión de velocidad en cada altura de elevación.

Elevación (pie) \({K}_ _{con}\) \(q )(psf) Observaciones
10 0.85 26.63 1piso st
20 0.90 28.20 2piso
30 0.98 30.71 Alero de techo
33 1.00 31.33 Altura media del techo, \({q}_ _{h}\)

Factor de efecto de ráfaga, GRAMO

El factor de efecto de ráfaga, \(GRAMO), se establece en 0.85 ya que la estructura se supone rígida (Sección de 26.9.1 de ASCE 7-10).

Clasificación del recinto y coeficiente de presión interna

Se supone que la estructura de la planta tiene aberturas que satisfacen la definición de edificio parcialmente cerrado en la Sección 26.2 de ASCE 7-10. Así, el coeficiente de presión interna, \(({GC}_ _{Pi})\), será +0.55 y -0.55 basado en la tabla 26.11-1 de ASCE 7-10.

ejemplo-cálculo-carga-viento-captura de pantalla-6

Figura 6. Coeficiente de presión interna, \(({GC}_ _{Pi})\), de Tabla 26.11-1 de ASCE 7-10.

Coeficiente de presión externa, \({C}_ _{Precios}\)

Para edificios cerrados y parcialmente cerrados., el coeficiente de presión externa, \({C}_ _{Precios}\), se calcula utilizando la información proporcionada en la Figura 27.4-1 a través de la figura 27.4-3. Para un edificio parcialmente cerrado con techo a dos aguas, usar figura 27.4-1.

Los coeficientes de presión externa para las paredes y el techo se calculan por separado utilizando los parámetros de construcción L, si, y h, que se definen en la Nota 7 de la figura 27.4-1.

Así, necesitamos calcular el L / B y h / L:

Altura media del techo, h = 33′
Longitud del edificio, L = 64′
Ancho de construcción, B = 104′
L / B = 0.615
h / L = 0.516
h / B = 0.317

De estos valores, podemos obtener los coeficientes de presión externa, \({C}_ _{Precios}\), para cada superficie usando mesa 27.4-1 de ASCE 7-10. Tenga en cuenta que podemos usar interpolación lineal cuando el ángulo del techo, θ, L / B, y h / L los valores están entre los que están en la tabla. Para nuestro ejemplo, los coeficientes de presión externa de cada superficie se muestran en las Tablas 6 a 8.

Mesa 6. Coeficientes de presión externos calculados para superficies de pared.

Superficie \({C}_ _{Precios}\)
Muro de barlovento 0.8
Muro de sotavento -0.5
Pared lateral -0.7


Mesa 7. Coeficientes de presión externa calculados para superficies de techo (carga de viento a lo largo de L).

Coeficientes de presión externa para techo \({C}_ _{Precios}\) (a lo largo de L)
h / L Barlovento Sotavento
10° 10.62° 15° 10° 10.62° 15°
0.5 -0.9
-0.18
-0.88
-0.18
-0.7
-0.18
-0.50 -0.50 -0.50
0.516 -0.91
-0.18
-0.89
-0.18
-0.71
-0.18
-0.51 -0.51 -0.50
1.0 -1.3
-0.18
-1.26
-0.18
-1.0
-0.18
-0.70 -0.69 -0.60


Mesa 8. Coeficientes de presión externa calculados para superficies de techo (carga de viento a lo largo de B).

Coeficientes de presión externa para techo \({C}_ _{Precios}\) (a lo largo de B)
media pensión Ubicación \({C}_ _{Precios}\)
0.317 0 a h -0.9
-0.18
h / 2 a h -0.9
-0.18
h a 2h -0.5
-0.18
>2h -0.3
-0.18


Coeficiente de presión externa con dos valores como se muestra en las Tablas 7 y 8 se verificará para ambos casos.

Diseño de presiones de viento para el sistema de resistencia del marco de viento principal

Usando la ecuación (1), se pueden calcular las presiones de viento de diseño. Los resultados de nuestros cálculos se muestran en las tablas. 8 y 9 abajo. Tenga en cuenta que habrá cuatro casos que actúen sobre la estructura, ya que consideraremos las presiones resueltas utilizando \((+{GC}_ _{Pi})\) y \((-{GC}_ _{Pi})\) , y el \(+{C}_ _{Precios}\) y \(-{C}_ _{Precios}\) para techo.

Mesa 9. Diseño de presión del viento para superficies de paredes.

Presión de diseño, \(pags), para paredes
Elevación del piso \({q}_ _{con}\), psf Barlovento Sotavento Pared lateral
\((+{GC}_ _{Pi})\) \((-{GC}_ _{Pi})\) \((+{GC}_ _{Pi})\) \((-{GC}_ _{Pi})\) \((+{GC}_ _{Pi})\) \((-{GC}_ _{Pi})\)
10 26.63 0.88 (0.88) 35.35 (35.35) -30.55
(-30.55)
3.92
(3.92)
-35.88
(-35.88)
-1.41
(-1.41)
20 28.20 1.94 (1.94) 36.41 (36.41)
30 30.71 3.65 (3.65) 38.12 (38.12)
33 31.33 4.07 (4.07) 38.54 (38.54)

(Resultados de la carga de viento SkyCiv)

Mesa 10. Diseño de la presión del viento para las superficies del techo..

Presión de techo de diseño, psf (a lo largo de L) Presión de techo de diseño, psf (a lo largo de B)
Superficie \((+{GC}_ _{Pi})\) \((-{GC}_ _{Pi})\) Ubicación
(desde el borde de barlovento)
\((+{GC}_ _{Pi})\) \((-{GC}_ _{Pi})\)
Barlovento -40.87 (-40.87) -6.41 (-6.40) 0 a h / 2 -41.20(-41.20) 12.44(12.44)
-22.03 (-22.03) 12.44 (12.44) h / 2 a h -41.20(-41.20)
Sotavento -30.71 (-30.71) 3.76 (3.83) h a 2h -30.55(-30.55)
>2h -25.22(-25.22)

(Resultados de la carga de viento SkyCiv)

Para aplicar estas presiones a la estructura, consideraremos un solo marco en la estructura. Muestra de caso de solicitud 1 y 2 (para ambos \(({GC}_ _{Pi})\)) se muestran en las figuras 7 y 8. La dirección del viento que se muestra en las figuras mencionadas es a lo largo, L, del edificio.

Tenga en cuenta que un signo positivo significa que la presión actúa hacia la superficie mientras que un signo negativo está lejos de la superficie.. Longitud de la bahía es 26 pies.

ejemplo-cálculo-carga-viento-captura de pantalla-7

Figura 7. Presión de viento de diseño aplicada en un marco – \((+{GC}_ _{Pi})\) y caja de presión de techo máxima absoluta.

ejemplo-cálculo-carga-viento-captura de pantalla-8

Figura 8. Presión de viento de diseño aplicada en un marco – \((-{GC}_ _{Pi})\) y caja de presión de techo máxima absoluta.

SkyCiv simplifica este procedimiento simplemente definiendo parámetros. Tratar nuestro Herramienta de viento libre SkyCiv

Diseño de presiones de viento para componentes y revestimiento (C&C)

Los componentes y revestimientos se definen en el Capítulo C26 de ASCE 7-10 como: "Los componentes reciben cargas de viento directamente o del revestimiento y transfieren la carga al MWFRS" mientras que "el revestimiento recibe cargas de viento directamente". Ejemplos de componentes incluyen "sujetadores, correas, tachuelas, cubierta de techo, y armaduras de techo "y para el revestimiento son" revestimientos de paredes, muros cortina, cubiertas de techo, ventanas exteriores, etc. "

Del capítulo 30 de ASCE 7-10, La presión de diseño para los componentes y el revestimiento se calculará utilizando la ecuación (30.4-1), mostrado a continuación:

\(p = {q}_ _{h}[({GC}_ _{Precios})-({GC}_ _{Pi})]\) (6)

Dónde:

\({q}_ _{h}\): presión de velocidad evaluada a la altura media del techo, h (31.33 psf)
\(({GC}_ _{Pi}\)): coeficiente de presión interna
\(({GC}_ _{Precios}\)): coeficiente de presión externa

Para este ejemplo, \(({GC}_ _{Precios}\)) se encontrará usando la figura 30.4-1 para zona 4 y 5 (los muros), y Figura 30.4-2B para Zona 1-3 (el techo). En nuestro caso, la cifra correcta utilizada depende de la pendiente del techo, θ, que es 7 °< θ ≤ 27 °. \(({GC}_ _{Precios}\)) se puede determinar para una multitud de tipos de techos representados en la Figura 30.4-1 a través de la figura 30.4-7 y figura 27.4-3 en el capitulo 30 y capitulo 27 de ASCE 7-10, respectivamente.

Solo calcularemos las presiones de viento de diseño para correas y montantes de pared. Las zonas para componentes y presiones de revestimiento se muestran en la Figura 9.

ejemplo-cálculo-carga-viento-captura de pantalla-9, ejes 7 10 carga de viento

Figura 9. Ubicación de la C calculada&Presiones C.

La distancia a desde los bordes se puede calcular como el mínimo de 10% de menor dimensión horizontal o 0.4h pero no menos que 4% de menor dimensión horizontal o 3 pie.

a : 10% de 64 pies = 6.4 pie > 3pie
0.4(33pie) = 13.2 pie 4% de 64 pies = 2.56 pie
a = 6.4 pie

Tacos de pared (C&C Presión de pared)

Basado en la figura 30.4-1, la \(({GC}_ _{Precios}\)) se puede calcular para zonas 4 y 5 basado en el área efectiva del viento. Tenga en cuenta que la definición de área de viento efectiva en el Capítulo C26 de ASCE 7-10 Establece que: "Para aproximar mejor la distribución de carga real en tales casos, El ancho del área efectiva del viento utilizada para evaluar \(({GC}_ _{Precios}\)) no necesita tomarse como menos de un tercio de la longitud del área ". Por lo tanto, el área efectiva del viento debe ser el máximo de:

Área de viento efectiva = 10 pies *(2pie) o 10 pies *(10/3 pie) = 20 pies cuadrados. o 33.3 pies cuadrados.
Área de viento efectiva = 33.3 pies cuadrados.

Lo positivo y lo negativo \(({GC}_ _{Precios}\)) para paredes se puede aproximar usando el gráfico que se muestra a continuación, como parte de la figura 30.4-1:

ejemplo-cálculo-carga-viento-captura de pantalla-10

Figura 10. Aproximada \(({GC}_ _{Precios}\)) valores de la figura 30.4-1 de ASCE 7-10.

Mesa 11. C calculada&C presiones para montante de pared.

Zona \(+({GC}_ _{Precios}\)) \(-({GC}_ _{Precios}\)) C&C Presiones, psf
\(+({GC}_ _{Precios}\)) \(-({GC}_ _{Precios}\))
4 0.90 -1.0 10.97
45.43
-48.56
-14.10
5 0.90 -1.2 10.97
45.43
-54.83
-20.36

Correas (C&C Presión de techo)

De 30.4-2B, Las presiones efectivas del viento para las zonas 1, 2, y 3 puede ser determinado. Como las armaduras están espaciadas a 26 pies, por lo tanto, esta será la longitud de las correas. El área efectiva del viento debe ser el máximo de:

Área efectiva del viento = 26 pies *(2pie) o 26 pies *(26/3 pie) = 52 pie2 o 225.33 pies cuadrados.
Área de viento efectiva = 225.33 pies cuadrados.

Lo positivo y lo negativo \(({GC}_ _{Precios}\)) para el techo se puede aproximar usando el gráfico que se muestra a continuación, como parte de la figura 30.4-2B:

ejemplo-cálculo-carga-viento-captura de pantalla-11

Figura 11. \(({GC}_ _{Precios}\)) valores de la figura 30.4-2B de ASCE 7-10.

Mesa 12. C calculada&C presiones para correas.

Zona +(GRAMOCPrecios) -(GRAMOCPrecios) C&C Presiones, psf
+(GRAMOCPi) -(GRAMOCPi)
1 0.30 -0.80 -7.83
26.63
-42.30
-7.83
2 0.30 -1.2 -7.83
26.63
-54.83
-20.36
3 0.30 -2.0 -7.83
26.63
-79.89
-45.43

Todos estos cálculos se pueden realizar utilizando Software de carga de viento de SkyCiv para ASCE 7-10, 7-16, EN 1991, NBBC 2015, y AS 1170. Los usuarios pueden ingresar en una ubicación del sitio para obtener la velocidad del viento y los factores de topografía, ingrese los parámetros de construcción y genere las presiones del viento. Con una cuenta profesional, los usuarios pueden aplicar esto automáticamente a un modelo estructural y ejecutar un análisis estructural todo en un software.

De otra manera, tratar nuestro Herramienta de viento libre SkyCiv para cálculos de velocidad y presión del viento en estructuras simples.

Patrick Aylsworth García Ingeniero estructural, Desarrollo de Producto
Patrick Aylsworth García
Ingeniero estructural, Desarrollo de Producto
Maestría en Ingeniería Civil
LinkedIn

Referencias:

  • Mehta, K. C., & Coulbourne, W. L. (2013, junio). Cargas de viento: Guía de las disposiciones de carga de viento de ASCE 7-10. Sociedad Americana de Ingenieros Civiles.
  • Cargas mínimas de diseño para edificios y otras estructuras. (2013). ASCE / SEI 7-10. Sociedad Americana de Ingenieros Civiles.

 

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