Calculadora de carga de viento

Sobre el cálculo de la carga de viento

Esta calculadora de carga de viento determina la presión de viento de cálculo sobre fachadas, cubiertas, cercas y edificios. El cálculo se realiza por zonas para un edificio rectangular, una cubierta a dos aguas y un muro macizo o cerca con retornos laterales, teniendo en cuenta la velocidad básica del viento correspondiente a la zona, el tipo de terreno, la altura de la estructura, la dirección del viento, la geometría, los coeficientes de presión exterior y, cuando corresponde, la presión interior.

Para cada zona, los resultados incluyen el factor de exposición, el coeficiente aerodinámico resultante y la presión de viento de cálculo en kN/m² y kgf/m². Se conserva el signo de la presión: un valor positivo representa presión hacia la superficie y un valor negativo representa succión.

Orientaciones y recomendaciones

Normas y secuencia de cálculo

Normas. Los coeficientes de acción del viento y las reglas para dividir las superficies en zonas se basan en EN 1991-1-4 «Eurocódigo 1: Acciones en estructuras - Parte 1-4: Acciones generales - Acciones de viento». El coeficiente parcial utilizado para obtener el valor de cálculo se basa en EN 1990 «Eurocódigo: Bases de cálculo de estructuras».

Secuencia de cálculo. Primero se calcula la presión básica del viento a partir de la velocidad básica del viento. A continuación se determina la presión dinámica de pico a partir del tipo de terreno y la altura de referencia. Después se divide el edificio, la cubierta o el muro en zonas, se asigna un coeficiente aerodinámico a cada una, se incorpora la presión interior cuando se ha seleccionado y finalmente se aplica el coeficiente parcial.

Velocidad básica del viento. El cálculo utiliza la velocidad básica del viento vb en m/s. Debe incluir ya los coeficientes de dirección y de estación según vb = cdir · cseason · vb,0. Los valores de cdir, cseason y de la velocidad básica fundamental del viento vb,0 se determinan según el Anexo Nacional de EN 1991-1-4.

Presión básica del viento. En el cálculo se utiliza una densidad del aire de ρ = 1.25 kg/m³. La presión dinámica básica se calcula a partir del cuadrado de la velocidad del viento:

qb = 0.5 · ρ · vb2 / 1000

Con la velocidad en m/s, esta fórmula proporciona qb en kN/m². Por ejemplo, duplicar la velocidad del viento multiplica la presión por cuatro.

Tipo de terreno y efecto de la altura

Rugosidad del terreno. Para las cinco categorías de terreno se utilizan las siguientes longitudes de rugosidad z0 y alturas mínimas de referencia zmin:

• Categoría 0: z0 = 0.003 m, zmin = 1 m.
• Categoría I: z0 = 0.01 m, zmin = 1 m.
• Categoría II: z0 = 0.05 m, zmin = 2 m.
• Categoría III: z0 = 0.3 m, zmin = 5 m.
• Categoría IV: z0 = 1.0 m, zmin = 10 m.

Altura de referencia. Las dimensiones geométricas se introducen en mm, mientras que la altura utilizada para el perfil del viento se convierte a metros. Si la altura de referencia es inferior a zmin para la categoría de terreno seleccionada, se utiliza zmin. El límite superior de la altura de referencia es 200 m.

Coeficiente de rugosidad. Primero se calcula el factor de terreno kr, seguido del coeficiente de rugosidad cr(z) y de la intensidad de turbulencia Iv(z):

kr = 0.19 · (z0 / 0.05)0.07

cr(z) = kr · ln(z / z0)

Iv(z) = 1 / ln(z / z0)

El cálculo supone un coeficiente orográfico de c0 = 1.0 y un factor de turbulencia de kI = 1.0.

Factor de exposición. La columna k muestra la relación entre la presión dinámica de pico a la altura seleccionada y la presión dinámica básica:

k(z) = (1 + 7 · Iv(z)) · cr2(z)

qp(z) = qb · k(z)

Por tanto, con la misma velocidad básica del viento, la presión resultante cambia con la altura y el tipo de terreno.

Edificio rectangular

Dirección del viento. Para viento sobre la pared A, d se considera la dimensión transversal al viento y b la profundidad del edificio en la dirección del viento. Para viento sobre la pared B, estas dimensiones se intercambian. Esto afecta tanto al tamaño de las zonas como a los coeficientes de las fachadas de barlovento y sotavento.

Anchura de las zonas de borde. Para las paredes laterales, la dimensión e se calcula primero como el menor valor entre la dimensión transversal al viento y el doble de la altura del edificio:

e = min(dimensión transversal; 2h)

La primera zona de borde se extiende hasta e/5, la segunda hasta e y la parte restante pertenece a la siguiente zona. Si el edificio termina antes de alcanzar el límite de una zona, esa zona no se incluye en los resultados.

Coeficientes exteriores de las paredes laterales. La calculadora utiliza valores cpe,10 de -1.2, -0.8 y -0.5 para las zonas A, B y C, respectivamente. Estos coeficientes cpe,10 son aplicables a superficies cargadas de aproximadamente 10 m² o más.

Fachada de barlovento D. El coeficiente depende de la relación entre la altura h y la profundidad del edificio. Para h/profundidad ≤ 0.25 se utiliza cpe,10 = +0.7; para h/profundidad ≥ 1 se utiliza +0.8. Entre ambos valores se aplica interpolación lineal.

Fachada de sotavento E. Para h/profundidad ≤ 0.25 se utiliza cpe,10 = -0.3; para una relación de 1, el valor es -0.5; y para h/profundidad ≥ 5, el valor es -0.7. Los coeficientes intermedios se obtienen mediante interpolación lineal.

Alturas de referencia de la fachada de barlovento. Si h ≤ dimensión transversal, toda la fachada utiliza ze = h. Si dimensión transversal < h ≤ 2 · dimensión transversal, la parte inferior utiliza una altura de referencia igual a la dimensión transversal, mientras que la parte superior utiliza h. Si h > 2 · dimensión transversal, se utilizan tres niveles: la dimensión transversal, h - dimensión transversal y h. Para las zonas laterales y de sotavento, la presión dinámica de pico se calcula a la altura h.

Cubierta a dos aguas

Pendiente de la cubierta. El ángulo de la cubierta se calcula automáticamente a partir de la altura total h, la altura del alero h1 y la anchura del edificio d:

α = arctan((h - h1) / (d / 2))

El cálculo se realiza para pendientes positivas de cubierta entre 5° y 75°. Para ángulos intermedios, los coeficientes se obtienen mediante interpolación lineal entre los valores tabulados más próximos del mismo signo.

Viento paralelo a la cumbrera. Para viento sobre la pared A se utiliza el caso θ = 90°. Las filas de resultados corresponden a las zonas F, G, H e I. Los valores de cpe,10 para los ángulos 5°, 15°, 30°, 45°, 60°, 75° son: F — -1.6, -1.3, -1.1, -1.1, -1.1, -1.1; G — -1.3, -1.3, -1.4, -1.4, -1.2, -1.2; H — -0.7, -0.6, -0.8, -0.9, -0.8, -0.8; I — -0.6, -0.5, -0.5, -0.5, -0.5, -0.5.

Viento perpendicular a la cumbrera. Para viento sobre la pared B se utiliza el caso θ = 0°. Las filas corresponden a las zonas F, G, H, J e I. Para las pendientes de cubierta en las que EN 1991-1-4 proporciona dos posibles ramas de presión, la calculadora comprueba ambas y determina por separado el valor más desfavorable para cada zona.

• 5°: F -1.7 / 0.0, G -1.2 / 0.0, H -0.6 / 0.0, I -0.6, J -0.6 / +0.2.
• 15°: F -0.9 / +0.2, G -0.8 / +0.2, H -0.3 / +0.2, I -0.4 / 0.0, J -1.0 / 0.0.
• 30°: F -0.5 / +0.7, G -0.5 / +0.7, H -0.2 / +0.4, I -0.4 / 0.0, J -0.5 / 0.0.
• 45°: F 0.0 / +0.7, G 0.0 / +0.7, H 0.0 / +0.6, I -0.2 / 0.0, J -0.3 / 0.0.
• 60°: F +0.7, G +0.7, H +0.7, I -0.2, J -0.3.
• 75°: F +0.8, G +0.8, H +0.8, I -0.2, J -0.3.

Geometría de las zonas de cubierta. Para viento paralelo a la cumbrera se utiliza e = min(d; 2h), con límites característicos de zona en e/10, e/2 y e/4. Para viento perpendicular a la cumbrera se utiliza e = min(b; 2h), con los límites principales en e/10 y e/4. Si la cubierta termina antes de alcanzar el siguiente límite, la zona inexistente no se incluye en los resultados.

Altura de referencia de la cubierta. Para todas las zonas de la cubierta a dos aguas se utiliza la presión dinámica de pico qp(h) correspondiente a la altura total del edificio.

Presión interior

Coeficiente de presión interior. Si no se incluye la presión interior, se utiliza cpi = 0. Cuando se selecciona la opción de presión interior según EN, se comprueban dos valores: cpi = +0.2 y cpi = -0.3. Para cada zona se selecciona la combinación que produce la mayor presión resultante en valor absoluto.

Efecto combinado de las presiones. En la cubierta, las presiones exterior e interior se refieren a la altura h, por lo que la presión característica resultante se determina a partir de la diferencia entre coeficientes:

wk = qp(h) · (cpe - cpi)

En las fachadas del edificio, la presión exterior puede calcularse a su propia altura de referencia ze, mientras que la presión interior se basa en qp(h). Por ello, los componentes exterior e interior se calculan por separado y después se combinan para obtener la diferencia más desfavorable. En este caso, el coeficiente mostrado c es un coeficiente resultante equivalente correspondiente a la presión calculada.

Muro macizo o cerca con retornos laterales

Modelo de cálculo. El cálculo representa un muro macizo exento con un índice de solidez de φ = 1 y retornos laterales de longitud igual o superior a h. Para esta configuración se utilizan los coeficientes recomendados de presión neta cp,net de EN 1991-1-4.

Coeficientes de zona. Las zonas sucesivas utilizan los coeficientes 2.1, 1.8, 1.4 y 1.2. Los límites de las zonas se sitúan a distancias de 0.3h, 2h y 4h desde el borde del muro.

Cálculo de la presión. Para todas las zonas se utiliza la presión dinámica de pico qp(h) a la altura del muro. No se aplica presión interior a un muro exento porque el cálculo utiliza el coeficiente de presión neta cp,net.

Conversión a presión de viento de cálculo

Coeficiente parcial. Una vez determinada la presión característica del viento, la calculadora la multiplica por γQ = 1.5. Este es el valor recomendado para una acción variable principal desfavorable según EN 1990; el Anexo Nacional puede establecer otros valores para una situación de cálculo concreta.

wd = γQ · wk

Unidades del resultado. El resultado principal se expresa en kN/m². También se convierte a kgf/m² mediante 1 kN/m² = 101.97 kgf/m².

Anexos Nacionales. La calculadora utiliza los coeficientes recomendados de EN 1991-1-4 y γQ = 1.5. Para el cálculo estructural, la velocidad regional del viento, los coeficientes de dirección y de estación y cualquier coeficiente determinado a nivel nacional deben tomarse del Anexo Nacional aplicable en el país donde se encuentre la estructura.

FAQs

¿Por qué la presión del viento cambia entre las zonas de un mismo edificio?

El flujo de aire interactúa de forma diferente con las zonas centrales de una superficie, los bordes y las esquinas. En las zonas de borde aparecen succiones locales más intensas, por lo que sus coeficientes de presión exterior son distintos. El resultado también puede variar porque diferentes zonas pueden utilizar alturas de referencia diferentes.

¿Cómo debe elegirse el tipo de terreno?

La categoría de terreno se selecciona según las características de la superficie y los obstáculos situados a barlovento. Un terreno abierto con pocos obstáculos suele corresponder a la categoría II, las zonas suburbanas y los bosques a la categoría III y la edificación urbana densa a la categoría IV. El terreno de barlovento relevante también puede cambiar cuando cambia la dirección del viento.

¿Por qué la presión de viento calculada puede ser negativa?

Un signo negativo representa succión: la presión exterior actúa alejándose de la superficie respecto a la dirección positiva adoptada. Es habitual en paredes laterales, superficies de sotavento y muchas zonas de cubierta. Tanto la magnitud como la dirección de la carga de viento son relevantes al comprobar una estructura.

¿Por qué se comprueban dos valores de presión interior?

La presión interior puede aumentar la presión exterior o incrementar la succión. Por ello, cuando se selecciona la opción EN, la calculadora comprueba tanto cpi = +0.2 como cpi = -0.3 y conserva la combinación más desfavorable para cada zona. Así se tienen en cuenta ambas posibles direcciones de la presión interior en un único procedimiento de cálculo.

¿Dónde debe obtenerse la velocidad básica del viento para el cálculo?

Los valores regionales del viento se especifican en el Anexo Nacional de EN 1991-1-4 correspondiente al país donde se encuentre la estructura. La calculadora utiliza vb, es decir, la velocidad después de aplicar el coeficiente de dirección cdir y el coeficiente de estación cseason. Como la presión del viento depende del cuadrado de la velocidad, incluso un cambio relativamente pequeño de vb puede modificar de forma apreciable la carga de viento calculada.