COLAPSO DE ESTRUCTURAS CAUSADAS POR LA ACCIÓN DEL VIENTO, DESDE LA ÓPTICA DE LA NUEVA NORMA ARGENTINA

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1 COLAPSO DE ESTRUCTURAS CAUSADAS POR LA ACCIÓN DEL IENTO, DESDE LA ÓPTICA DE LA NUEA NORMA ARGENTINA Ingeniero Civil, José Luís Gomez, Ingeniera Liliana Amalia Papalardo, Ingeniera Claudia del Carmen Gareca Universidad Nacional de Córdoba. Facultad de Arquitectura Urbanismo y Diseño. Córdoba RESUMEN Manifestaciones patológicas causadas por la acción del viento, analizadas en otras oportunidades son recopiladas en este trabajo, y estudiados siguiendo los lineamientos del nuevo reglamento CIRSOC 102 vigente actualmente en la Republica Argentina. Las manifestaciones estudiadas corresponden a una construcción con estructura superior de chapa plegada apoyada sobre pórticos de hormigón armado, un silo construido con perfiles de acero laminado y una estructura aporticada de acero con dintel de directriz circular. Los resultados y conclusiones obtenidos servirán para elaborar recomendaciones conceptuales para asegurar la estabilidad espacial y la resistencia seccional de los elementos estructurales bajo la acción lateral del viento Palabras Clave: acción del viento, colapso, patologías, nuevo reglamento, estabilidad espacial. SUMMARY Pathological manifestations caused by wind action, analized in previous opportunities, are collected in this work, and they are studied following the lineament of the new regulation CIRSOC 102, at present in force in Argentina. The studied manifestations appertain to: a building with masonry and prefabricated reinforced concrete roof; a building with reticulated steel structure; a silo made of laminated steel; and a building with reinforced concrete and folded steel ply roof. The results and conclussions that follow will serve to elaborate conceptual recommends to ensure the spatial stability and the sectional resistence of the structural elements under the lateral action of wind Key Words: wind action, collapse, pathology, new regulation, spatial stability. Nota: presentado en el III Congreso Latinoamericano de Patología de la Construcción X Congreso de Calidad en la Construcción. CONPAT ol. II: Patología de la Construcción

2 INTRODUCCIÓN En el presente trabajo se realiza una revisión del análisis de las cargas de viento sobre tres estructuras con manifestaciones importantes de patología estructural, que se estudiaron con el Reglamento CIRSOC 102 edición En esta oportunidad son evaluadas las acciones con el Proyecto de Reglamento Argentino de Acción del iento sobre las Construcciones edición Finalmente se realiza una comparación de las velocidades básicas y presión dinámica de diseño puntualizando las diferencias de procedimientos entre ambos reglamentos y los correspondientes resultados obtenidos. En cada caso una vez comparada las acciones sobre el edificio se confirmará o no el motivo de las fallas ocurridas. EXPERIENCIA DESARROLLADA Procedimiento de diseño con el nuevo reglamento. Cada edificio ha sido analizado por el Método 2 denominado procedimiento Analítico y el método Alternativo del mencionado Proyecto de Reglamento Argentino. El procedimiento para el análisis de la carga de viento contempla distintas situaciones que en el anterior reglamento no fueron tomadas en cuenta, por ejemplo el efecto ráfaga, valor que tiene en cuenta los efectos de carga en la dirección del viento debido a la interacción estructura turbulencia del viento. Para el cálculo de la presión dinámica se propone la siguiente expresión: qz = kz. kzt. Kd. 2. I (1) donde qz es la presión dinámica evaluada a la altura z del nivel del terreno. Kz es el coeficiente de exposición para la presión Dinámica evaluada a la altura z. Kzt es el factor topográfico. Kd es el factor de direccionalidad del viento. es la velocidad básica de viento en m/seg correspondiente a la velocidad de ráfaga para un intervalo de 3 segundos de duración a 10 m sobre el terreno en categoría de exposición C, terrenos abiertos con obstrucciones dispersas y asociado con una probabilidad anual de ser igualada o excedida de 0.02 (intervalo medio de recurrencia de 50 años) I es el factor de importancia. También se determina los coeficientes de presión externa GCpf y los coeficientes de presión interna Gcpi, donde la letra G indica que los valores incluyen el factor de efecto de ráfaga. Con el Método Alternativo para edificio con h menor a 20m se considera condiciones hipotéticas de cargas diseñando el edificio para todas las direcciones de viento considerando a su turno cada esquina del mismo, como la esquina a barlovento. Primer caso: Edificio COTECAR. Paso de los Libres. Provincia de Corrientes.

3 Edificio de dos plantas con estructura independiente de Hormigón Armado. Nivel Superior conformado por estructura de chapa plegada apoyada sobre pórticos de Hormigón Armado. Fig. 1 Fig. 1 Según el reglamento CIRSOC 102 versión o : elocidad básica de diseño = 47 m/s qz : Presión dinámica de cálculo = 1350 N/m 2 16, ,1 18,2 40 5,98 7,23 40 A A 17,9 21,8 17,5 18,2 PLANTA PLANTA CORTE 3,6 PRESIONES MAXIMAS 1550 N/m² 1080 N/m² 1410 N/m² 17,5 Corte Fig. 2 Las cargas de succión en cubiertas produjeron solicitaciones en los elementos de Hormigón Armado de 20x60, que provocaron su rotura por la falta de armadura de tracción para resistir momento flector del orden de 5,00tm (Fig. 2) La armadura superior de las vigas era de 0,28 cm 2 mucho menor que los 4,00 cm 2 que necesitaba. 3

4 Según CIRSOC 201 versión Método 2 Analítico elocidad del viento = 47 m / seg Factor topográfico Kzt = 1 Kd = factor de direccionalidad = 0.85 Factor efecto ráfaga G = 0.85 Clasificación del edificio: Categoría III I factor de importancia I = 1.15 Edificio parcialmente cerrado Coeficiente de presión interna: Categoría de exposición B GCpi = Presión dinámica: qz = Kz.Kzt. Kd. 2 (2) I qz = 1324 kz Para una altura de 0m a 5m Kz= 0,59 qz= 781 Para una altura de 8m Kz= 0,67 qz= 887 Presiones sobre SPRF viento paralelo a la dirección a a. Fig. 3 SPRF: Sistema Principal Resistente a la Fuerza de iento. Presiones de diseño con presión interna positiva Presiones de diseño con presión interna negativa 1166 N/m² 865 N/m² 714 N/m² 115 N/m² 70 N/m² 262 N/m² 111 N/m² 190 N/m² 1091 N/m² 1046 N/m² 43 N/m² 111 N/m² 1019 N/m² 864 N/m² 17,5 17,5 Fig. 3 Método Alternativo Presión dinámica: qh = Kh.Kzt. Kd. 2. I (3) qh = 997 N/m 2 qh es la presión dinámica a la altura media h Kh es el coeficiente de exposición para la presión dinámica evaluado a la altura z = h.

5 Presiones de Diseño con presión interna positiva Presiones de Diseño con presión interna negativa 917 N/m² 179 N/m² 837 N/m² 1235 N/m² 259 N/m² 139 N/m² 917 N/m² 179 N/m² 1235 N/m² 139 N/m² 1076 N/m² 20 N/m² 149 N/m² 1615 N/m² 976 N/m² 120 N/m² 518 N/m² 947 N/m² 60 N/m² 1156N/m² Dirección del iento Dirección del iento Fig. 4 Las cargas de viento obtenidas con el nuevo reglamento Fig. 4 resultan similares alas calculadas anteriormente; obviamente también provocarían la rotura de la sección de hormigón armado por falta de armadura de tracción para ese estado de carga. Segundo caso: Celdas para almacenaje de granos. Dorila. Provincia de La Pampa. La estructura superior esta conformada por arcos reticulados construidos con hierro redondo. Los cerramientos verticales están constituidos por perfiles IPN 14, tanto la cubierta propiamente dicha como el revestimiento de los cerramientos es de chapa galvanizada ondulada. Fig 5 Fig 5 Según el reglamento CIRSOC 102 versión o: elocidad básica de diseño = m/s qz: Presión dinámica de cálculo = N/m 2

6 Presiones Maximas 61,2 3,5 716 N/m² 716 N/m² 5,27 15,2 15,2 497 N/m² 795 N/m² 15,2 Planta Perspectiva Fig 6 Secuencia del colapso Fig. 7 Las solicitaciones generadas por estas cargas de viento Fig. 6 produjeron la rotura de la estructura superior que era muy débil, convirtiendo el cerramiento en mensula de 3.77m y una carga de 253kg/m produciendo tensiones de fluencia en el perfil PNI16 Fig Según CIRSOC 201 versión Método 2 Analítico elocidad del viento = 49 m / seg Factor topográfico Kzt = 1 Kd = factor de direccionalidad 0.85 Factor efecto ráfaga G = 0.85 Clasificación del edificio : Categoría I Categoría de exposición C I factor de importancia I = 0.87 Edificio cerrado Coeficiente de presión interna Gcpi = Presión dinámica: qz = Kz.Kzt. Kd. 2. I (4) qz = 1088 kz Para una altura de 0m a 5m Kz= 0,87 qz= 946 Para una altura de 7m Kz= 0,93 qz= 1012

7 Presiones de Diseño Netas para SPRF para viento normal a la cumbrera, con coeficiente negativo de presion externa a barlovento en cubierta 440 N/m² 698 N/m² 76 N/m² 334 N/m² 480 N/m² 836 N/m² (+) Presion Interna (-) Presion Interna 465 N/m² 10 N/m² 612 N/m² 698 N/m² 480 N/m² 836 N/m² (+) Presion Interna Fig N/m² 248 N/m² Presiones de Diseño Netas para SPRF para viento normal a la cumbrera, con coeficiente positivo de presion externa a barlovento en cubierta 354 N/m² (-) Presion Interna 334 N/m² 465 N/m² 612 N/m² Fig N/m² 248 N/m² Método Alternativo Presión dinámica: qh = Kh.Kzt. Kd. 2. I (5) qh = 1012 N/m N/m² 557 N/m² 668 N/m² 557 N/m² 718 N/m² Presiones de Diseño con presión interna positiva 476 N/m² 273 N/m² Presiones de Diseño con presión interna negativa 192 N/m² 303 N/m² 192 N/m² 354 N/m² 111 N/m² 223 N/m² 880 N/m² 880 N/m² 1265 N/m² 587 N/m² 516 N/m² 516 N/m² 901 N/m² 637 N/m² 273 N/m² 435 N/m² 668 N/m² 799 N/m² 304 N/m² Dirección del iento Dirección del iento Fig. 10 Si bien las presiones obtenidas con el nuevo reglamento son levemente menores (aproximadamente el 2.5 %) podemos observar en la Fig. 9 valores muy distintos en un faldón respecto al otro, situación que también, sin duda provocaría el colapso de la estructura superior y en consecuencia la siguiente rotura de los cerramientos laterales.

8 Tercer caso: Taller del establecimiento educacional IPEM 58 La Puerta. Provincia de Córdoba. La estructura esta conformada por pórticos con dintel de directriz circular. La cubierta es de chapa metálica. Fig. 11 Fig. 11 Según el reglamento CIRSOC 102 versión o: elocidad básica de diseño = m/s qz: Presión dinámica de cálculo = 1040 N/m 2 Presiones Maximas Planta 5 7,5 15 Corte 1139 N/m² 1122 N/m² 993 N/m² 906 N/m² 1338 N/m² 1338 N/m² 1381 N/m² 1053 N/m² 941 N/m² 941 N/m² C B Fig. 12 SOLICITACIONES EN LAS DISTINTAS SECUENCIAS DE CARGA. E1 + E2 E1 + E3 E1 + 0,35 E3 8,84 tm 8,78 tm SECUENCIA DE LA DEFORMACION MEDIDA. E1 + E2 0,48 cm E1 + E3 4,3 cm E1 + 0,35 E3 4,79 cm 0,60 viento diseño 1,00 viento diseño 0,35 viento diseño

9 Fig. 13 En este caso el 60 % de la carga de viento obtenida con la aplicación del reglamento anterior produjo la plastificación del nudo B y un corrimiento de 0,48cm del nudo C. Fig. 12 y 13, inmediatamente con la carga máxima de viento se produce la plastificación del nudo C y un corrimiento de 4,3 cm, luego con una carga del 35 % de la carga máxima de viento prevista se deforma de 4,79 cm mas con lo que se llega a una deformación medida en obra. 5 Según CIRSOC 201 versión Método 2 Analítico elocidad del viento = 45 m / seg Factor topográfico Kzt = 1 Kd = factor de direccionalidad 0.85 Factor efecto ráfaga G = 0.85 Clasificación del edificio : Categoría III Categoría de exposición C I factor de importancia I = 1.15 Edificio parcialmente cerrado Coeficiente de presión interna GCpi = Presión dinámica: qz = Kz.Kzt. Kd. 2 (6) qz = 1213 kz ALTURA KZ qz , * h media , Tabla 1 Presiones de Diseño Neta para el SPRF para viento normal al eje de la boveda 1545 N/m² 199 N/m² 1076 N/m² 1651 N/m² 138 N/m² 237 N/m² (+) Presion Interna (-) Presion Interna 1324 N/m² 100 N/m² 138 N/m² 1324 N/m² Fig. 14 Si bien se observa en la Fig. 14 que con la aplicación del nuevo reglamento en el cerramiento a barlovento las presiones son mucho menores que las presiones resultantes anteriores, en la cubierta y en el cerramiento a sotavento las presiones son mayores, por lo que podemos afirmar que producirían un efecto similar en la estructura al calculado con el reglamento anterior.

10 CONCLUSIONES En el caso del edificio COTECAR de Paso de los Libres, si bien difieren en valor las cargas del viento según cada reglamento, ambos propusieron una inversión de carga, sobre las vigas, delatando la falta de armadura superior para resistir las tracciones. Si se hubiese diseñado respetando cualquiera de los reglamentos se podría haber evitado el colapso. En las celdas para almacenajes de granos ocurre algo similar, las acciones sobre la cubierta, dada por cualquier de los reglamentos provocan el colapso del techo dejando a la estructura de cerramiento sin apoyo superior, provocando solicitaciones en la misma, suficientes para provocar la rotura seccional de los perfiles de acero. En el ultimo edificio educacional IPEM 58 no hubo colapso total, pero si plastificaciones seccionales que modifican el esquema del elemento resistente principal; llegando a deformaciones relativas entre apoyo y nudo superior de las columnas mas importantes con poca variación según la aplicación del antiguo o nuevo reglamento Argentino. Los valores de velocidad básica de viento y de presiones analizadas en los distintos casos con ambos reglamentos no difieren sustancialmente por lo que la utilización del nuevo no implicaría una marcada repercusión económica. Con el nuevo reglamento se obtiene presiones que varían en las distintas zonas de la cubierta, tanto con el método analítico como en el alternativo, pudiendo se explicar muchos deterioros localizados encontrados en obras con manifestaciones patológicas por efecto de la acción del viento. REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS Centro de Investigación de los Reglamentos Nacionales de Seguridad par las Obras Civiles 1. Reglamento CIRSOC 102 Julio Reglamento Argentino de Acción del viento sobre las construcciones 3. Memoria de las III Jornadas de Ingeniería Estructural 1988 Efecto del iento de las Construcciones 4. Memoria del III congreso Iberoamericano en Patología de la Construcción - Cuba elocidad del iento en el Colapso Estructural de un silo. 6. Memoria Congreso Iberoamericano de Patología de la Construcción Montevideo Uruguay 1999 Evaluación y Diagnostico de Daños ocasionados por la acción del viento Este artículo ha sido presentado en el III Congreso Latinoamericano de Patología de la Construcción X Congreso de Calidad en la Construcción. CONPAT ol. II: Patología de la Construcción. Asunción Paraguay. Editado por CONPAT 2005.