¿Cómo calcular las cargas del viento en estructuras según las normativas europeas?

Las cargas del viento sobre las estructuras se han calculado tradicionalmente mediante la utilización de equivalentes estáticos de fuerzas. El primer paso en este proceso consiste en determinar una velocidad básica del viento para la región general donde se construirá la estructura, utilizando la información derivada de estudios meteorológicos. Esta velocidad básica del viento puede representar una velocidad extrema medida a una altura de 10 metros y promediada en un período de 3 segundos, con un período de retorno de 50 años (es decir, una velocidad que, en promedio, se alcanzará o superará una vez cada 50 años, o tendrá una probabilidad de ser superada de 1/50).

En el caso del diseño de cargas de viento según la norma europea EC-1, el enfoque más común es el método simplificado, el cual se aplica cuando las estructuras no son susceptibles a excitaciones dinámicas. De manera práctica, los edificios de acero de menos de 200 metros de altura deberían cumplir con esta condición, pero para estructuras extremadamente esbeltas o inusuales, pueden ser necesarios cálculos más detallados para su justificación. Este apartado se centra en el enfoque simplificado, que se aplica a las "estructuras permanentes". De manera general, las estructuras temporales pueden diseñarse para presiones de viento menores.

La presión de referencia del viento se determina directamente mediante la siguiente fórmula:
qb = 0.5ρ (vb²)
donde ρ es la densidad del aire, que se toma como 1.25 kg/m³, a menos que se indique lo contrario. Esta fórmula se modifica mediante un coeficiente de exposición ce(z), que tiene en cuenta la rugosidad del terreno según una tabla (Tabla 2.7), la topografía y la altura sobre el nivel del suelo. Para un terreno “plano”, el coeficiente de exposición ce(z) puede determinarse a partir de la Figura 2.1, que relaciona la altura con la categoría del terreno. Generalmente, el terreno se considera "plano" excepto en ubicaciones cercanas a colinas aisladas y escarpes.

La tabla proporciona los parámetros calibrados para obtener el mejor ajuste de los valores kr, zo y zmin para distintas categorías de terreno, que van desde el mar o áreas costeras expuestas al mar abierto, hasta áreas urbanas donde al menos el 15% de la superficie está cubierta por edificios cuya altura media excede los 15 metros. En terrenos de categoría IV, donde las estructuras urbanas están más concentradas, se observa un aumento en la presión de viento debido a la mayor rugosidad del terreno y la densidad de las edificaciones.

En lo que respecta a los edificios de gran altura, es posible definir secciones con rangos de altura apropiados y calcular las presiones del viento para cada sección según la "altura de referencia" correspondiente, como se muestra en la Figura 2.2. Esta segmentación permite tener en cuenta variaciones en las presiones de viento a distintas alturas dentro de la estructura. Esto resulta crucial para obtener un cálculo más preciso de las cargas que una edificación puede experimentar a lo largo de su altura total.

Además, la distribución de las presiones del viento sobre las superficies de los edificios se determina mediante los coeficientes de presión externos e internos, cpe y cpi, respectivamente. Estos coeficientes se utilizan para calcular la distribución de presiones externas e internas en las estructuras. Para ello, es importante entender cómo varía la presión en diferentes partes del edificio, ya sea en paredes verticales de edificios rectangulares o en techos planos. A través de la Figura 2.3, se observa cómo las presiones internas y externas se combinan para dar la presión neta sobre la superficie de un edificio. Este comportamiento se debe a la interacción de las cargas de viento con las características geométricas del edificio, como el tipo de techo y la disposición de las aberturas.

¿Cómo se combinan el momento flector y la carga axial en secciones transversales de acero?

El comportamiento de las secciones transversales de acero sometidas a compresión axial y momentos de flexión es fundamental en el diseño estructural, particularmente cuando se analiza la interacción entre estos dos tipos de esfuerzos. En este contexto, las ecuaciones aproximadas presentadas en los códigos de diseño, como el Eurocódigo 3, ayudan a modelar esta interacción y a prever el comportamiento de las estructuras bajo cargas combinadas.

En la figura 6.17 se observa la diferencia sutil entre las ecuaciones 6.2 y 6.3 aplicadas a una sección H, utilizando la aproximación que el Eurocódigo 3 emplea para la resistencia al momento flector en función de la carga axial. La fórmula proporcionada, $M_{Ny.Rd} = \frac{M_{pl.y}(1 - n)}{1 - 0.5a}$, donde $n = \frac{N_{Sd}}{N_{pl.Rd}}$ es la relación entre la carga axial y la carga de aplastamiento (que depende de la resistencia del material y el área de la sección), refleja cómo la carga axial reduce la capacidad resistente del momento flector. Además, se establece que el momento de resistencia no debe exceder el momento plástico $M_{pl.y.Rd}$, como lo indica la ecuación 6.4.

En el caso de las secciones transversales de Clase 3, donde el material experimenta una deformación plástica significativa, la interacción entre la carga axial y el momento de flexión se hace más compleja. La figura 6.18 muestra cómo la distribución de tensiones varía en función de la profundidad de la sección y el momento flector aplicado. La máxima tensión longitudinal ocurre en el borde donde la combinación de la compresión axial y el momento genera la mayor carga. Esta tensión debe ser menor o igual a la tensión de fluencia del material, $\sigma_{x.Ed} \leq f_{yd}$, para garantizar la seguridad estructural.

El análisis de estabilidad global de las estructuras sometidas a compresión axial y momentos flectores es otro aspecto crucial que no debe pasarse por alto. La figura 6.19 ilustra la deflexión lateral de una viga-columna, donde el momento aplicado provoca desplazamientos adicionales a lo largo de la longitud de la viga. Los momentos primarios y secundarios generados por la carga axial y el momento flector se combinan para determinar el comportamiento global de la estructura. La ecuación de deflexión máxima, basada en la teoría de columnas de Euler, permite calcular el desplazamiento máximo en el centro de la viga-columna en función de la carga axial, el momento y la rigidez de la sección.

El Eurocódigo 3 considera todos estos factores a través de un enfoque de diseño basado en los estados límite. Las ecuaciones 6.6 y 6.7 reformulan estos cálculos para garantizar la seguridad frente a fallos por fluencia o pandeo. En este sentido, es esencial tener en cuenta las condiciones iniciales de curvatura, las tensiones residuales y otros factores que afectan la respuesta estructural. La incorporación de estos aspectos, que pueden parecer invisibles en los cálculos iniciales, se detalla en trabajos de fiabilidad estructural, como el libro de Elreedy M.A. (2014).

Para las secciones de Clase 1 y 2, la interacción entre la carga axial y el momento de flexión se evalúa utilizando la ecuación $N_{Sd} + k_y M_{y.Sd} \leq 1$, donde el factor de reducción $k_y$ depende de la relación de la carga axial, la esbeltez de la sección y los momentos primarios. Este factor modifica la capacidad de la sección para resistir momentos de flexión, considerando los efectos secundarios y la no uniformidad de los momentos. En las secciones de Clase 3, se utiliza una ecuación similar, mientras que para las secciones de Clase 4, la evaluación de la capacidad resistente se ajusta con el uso de momentos efectivos y áreas de sección transversales modificadas.

Además de la interacción entre carga axial y momentos flectores, es crucial considerar otros aspectos de la estabilidad global de la estructura. El cálculo de la capacidad de las secciones no debe basarse únicamente en las tensiones de fluencia, sino que debe integrar los efectos del pandeo, las deformaciones no lineales y la distribución no uniforme de los momentos. Solo de esta forma se puede asegurar un diseño óptimo y seguro para las estructuras de acero, minimizando el riesgo de fallos tanto locales como globales.

¿Cómo se utilizan los símbolos y convenciones en el diseño estructural de miembros de acero?

Los ejes que definen la geometría de una sección transversal de un miembro de acero son esenciales para determinar cómo se comportará bajo diferentes cargas. Se utilizan tres ejes principales: el eje $x-x$, que va a lo largo del miembro; el eje $y-y$, que se alinea con las bridas del perfil; y el eje $z-z$, que es perpendicular a las bridas. Estas convenciones se aplican de manera uniforme en secciones de acero estructural para simplificar los cálculos y garantizar la coherencia en todo el proceso de diseño.

Los símbolos utilizados en el análisis y diseño estructural también juegan un papel crucial. Por ejemplo, $b$ denota el ancho de la sección transversal, mientras que $h$ se refiere a la profundidad de la sección. Estos elementos son fundamentales para calcular la resistencia de un miembro, especialmente cuando se combinan con otros factores como el espesor de la ala ($t_f$) y el espesor de la web ($t_w$). Además, el radio de los filetes ($r$, $r_1$, $r_2$) es vital para determinar la capacidad de carga de la sección, ya que los filetes son áreas que suelen concentrar tensiones.

Otro aspecto crucial del diseño estructural es el análisis de las imperfecciones, como la posible flexión del miembro debido a desplazamientos iniciales ($\varphi$) o imperfecciones geométricas. Estos factores deben tenerse en cuenta para garantizar que los miembros sean capaces de resistir las cargas de forma segura, incluso cuando las condiciones no sean perfectas. Los desplazamientos horizontales y verticales, como $\delta H,Ed$ y $V_{Ed}$, ayudan a analizar el comportamiento global de la estructura bajo cargas estáticas o dinámicas.

Es importante comprender que los factores de resistencia no son absolutos, sino que dependen de las condiciones particulares de la estructura y de la interacción entre los diferentes esfuerzos. La capacidad de un miembro de acero para resistir una carga estática o dinámica depende de cómo se combinan estos factores, y los ingenieros deben evaluar cuidadosamente todas las variables involucradas.

Finalmente, es fundamental que el diseño estructural no solo cumpla con los requisitos de resistencia estática, sino que también sea capaz de soportar las deformaciones y esfuerzos imprevistos durante la vida útil de la estructura. Esto incluye considerar factores de seguridad adicionales para cargas dinámicas y no lineales, que podrían no ser evidentes a simple vista.