Manual de Diseno por viento CFE PDF

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COMISIÓN FEDERAL DE ELECTRICIDAD MANUAL DE DISEÑO DE OBRAS CIVILES DISEÑO POR VIENTO MÉXICO | 2008 COMISIÓN FEDERAL DE ELECTRICIDAD DIRECTORIO Ing. Alfredo Elías Ayub Director General Dr. Florencio Aboytes García Subdirector de Programación Lic. Manuel Garza González Coordinador del Programa de Aho...

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COMISIÓN FEDERAL DE ELECTRICIDAD

MANUAL DE DISEÑO DE OBRAS CIVILES DISEÑO POR VIENTO

MÉXICO | 2008

COMISIÓN FEDERAL DE ELECTRICIDAD DIRECTORIO

Ing. Alfredo Elías Ayub Director General

Dr. Florencio Aboytes García Subdirector de Programación

Lic. Manuel Garza González

Coordinador del Programa de Ahorro de Energía del Sector Eléctrico

Ing. Néstor Moreno Díaz Director de Operación

Ing. Luis Carlos Hernández Ayala Subdirector de Generación

Ing. J esús A. Buentello García Subdirector de Energéticos y Seguridad

Ing. Noé Peña Silva Subdirector de Transmisión

Ing. J osé Abed Valdez Cam poy Subdirector de Distribución

Ing. Gustavo Alonso Salvador Torres Subdirector del Centro Nacional de Control de Energía

Lic. Fernando J osé Bueno Montalvo Director de Administración

Lic. Francisco J avier Santoyo Vargas Director de Finanzas

Ing. Rodolfo Nieblas Castro

Director de Modernización y Cambio Estructural

Ing. Eugenio Laris Alanís

Director de Proyectos de Inversión Financiada

Ing. Alberto Ram os Elorduy Subdirector de Desarrollo de Proyectos

Lic. Carlos Ortíz y Farfán Subdirector de Contratación de Proyectos de Inversión Financiada

Ing. Benjam ín Granados Dom ínguez Subdirector de Proyectos y Construcción

Dr. Hum berto Marengo Mogollón Coordinador de Proyectos Hidroeléctricos

Fís. J uan Manuel Rodríguez Álvarez Coordinador de Proyectos Termoeléctricos

Ing. César Fernando Fuentes Estrada

Coordinador de Proyectos de Trasmisión y Transformación

Ing. Gustavo Arvizu Lara Gerente de Estudios de Ingeniería Civil

Ing. J esús Enrique Mena Sandoval Subgerente de Comportamiento de Estructuras

Lic. Rubén López Magallanes Órgano Interno de Control

PRÓLOGO El Manual de Diseño de Obras Civiles, desde su primera edición en 1969, incorpora los conocimientos tecnológicos y experiencia fruto del intenso trabajo de ingenieros y especialistas de la Comisión Federal de Electricidad, y de investigadores mexicanos de universidades y centros de investigación, derivados del diseño, ejecución y operación de las obras que realiza la CFE. Durante su vida, el Manual ha sido objeto de revisiones totales y parciales, hasta llegar a ser un documento de referencia indispensable para muchas de las obras de ingeniería que se construyen en el país y en Latinoamérica. El total de capítulos del Manual constituyen una obra de dimensiones incalculables para la ingeniería mexicana, ya que refleja lo mejor de sus experiencias y conocimientos. Su amplio contenido de vanguardia lo han convertido además en un texto complementario en universidades y centros educativos de las áreas de ingeniería. La presente edición revisada del capítulo de Diseño por Viento incorpora los datos y experiencias de fuertes ciclones que han afectado a la República Mexicana y a otros países en los últimos años, así como los resultados de numerosos estudios de sus efectos en estructuras modernas, y constituye un ejemplo más del esfuerzo que la Comisión Federal de Electricidad realiza para consolidarse como una empresa de clase mundial.

Ing. Benjamín Granados Domínguez Subdirector de Proyectos y Construcción

México, D.F., diciembre de 2008

COMISIÓN FEDERAL DE ELECTRICIDAD MANUAL DE DISEÑO DE OBRAS CIVILES SECCIÓN C. ESTRUCTURAS TEMA 1. CRITERIOS DE DISEÑO CAPÍTULO 4

DISEÑO POR VIENTO Elaboración

Colaboración

Colaboración Externa

Comité Técnico de CFE

Coordinación

Revisión Técnica

(1) (2) (3) (4) (5) (6)

Dr. Alberto López López M. I. Celso Joaquín Muñoz Black Dr. Luis Eduardo Pérez Rocha

(1) (1) (1)

M. C. Alonso Alvarado González Ing. Armandina Edna Alanís Velázquez L. I. Erick Martín del Campo Castrejón M. I. Jorge Iván Vilar Rojas M. C. María de Jesús Vergara Pineda L. S. C. Rosa María Rodríguez Soberanes

(1) (1) (1) (1) (1) (1)

Dr. David de León Escobedo Dr. Hugo Hernández Barrios Dr. Jorge Sánchez Sesma

(2) (3) (5)

Ing. Elisa Andrade Ocádiz Ing. Federico M. Hach Gómez Llanos Ing. Fernando de Artola Noble Ing. Francisco Navarrete Alemán Ing. Gherman Castellanos Román Ing. José Francisco Fernández Romero Ing. Leodegario Sansón Reyes Ing. Luis Enrique Hernández Cruz Ing. Martín Sánchez Muñoz

(4) (4) (4) (4) (4) (4) (4) (4) (4)

Ing. Enrique Mena Sandoval Dr. Vicente Alfredo Guerrero Floresg

(4) (1)

Dr. Luis Esteva Maraboto Dr. Mario Gustavo Ordaz Schroeder Prof. Neftalí Rodríguez Cuevas

(6) (6) (6)

Instituto de Investigaciones Eléctricas. Universidad Autónoma del Estado de México. Universidad Michoacana de San Nicolás de Hidalgo. Comisión Federal de Electricidad. Consultor en Ingeniería Eólica. Instituto de Ingeniería, Universidad Nacional Autónoma de México.

Diseño de Portada: Nadia Carolina Rodríguez Ledezma y Departamento de Difusión, IIE

Agr a de cim ie n t os Est a obra ha sido elaborada gracias al apoyo y aport ación financiera de la Coordinación de Proyect os de Transm isión y Transform ación y de la Gerencia de Est udios de I ngeniería Civil, de la Com isión Federal de Elect ricidad. I n m e m ór ia m La realización de la act ualización del Capít ulo de Diseño por Vient o, fue gracias al im pulso t enaz y perseverant e del Dr. Vicent e Alfredo Guerrer o Flores

quien

fuera

Gerent e

de

I ngeniería

Civil

del

I nst it ut o

de

I nvest igaciones Eléct ricas y coordinador de est os t rabaj os. Con gran reconocim ient o de sus am igos y colaboradores se concluyó la present e obra.

Derechos reservados por: Comisión Federal de Electricidad. Río Ródano núm. 14, Col. Cuauhtémoc, Del. Cuauhtémoc, C. P. 06598, México, D. F. Esta edición y sus características son propiedad de la Comisión Federal de Electricidad, México. Impreso en México, 2008

Copyright 2008.

PREFACI O M AN UAL D E D I SEÑ O POR VI EN TO, ED I CI ÓN 2 0 0 8 Desde la edición de 1993 del Manual de Diseño por Vient o se ha present ado un im port ant e avance en el desarrollo de m et odologías para una m ej or est im ación de las acciones inducidas por el vient o y sus efect os sobre las const rucciones. Por ot ra part e, el increm ent o en pérdidas de vidas hum anas, daños m at eriales e int errupción de servicios esenciales, ocasionados por vient os fuert es y huracanes que predom inan en México, m ot ivó la act ualización de las t écnicas em pleadas para encam inarlas a opt im izar el diseño y desem peño de las est ruct uras ant e dichos efect os producidos por el vient o. Para est a edición se ha realizado una revisión exhaust iva en m at eria de invest igación y est andarización a nivel int ernacional dando com o result ado la act ualización de los crit erios de diseño por vient o. La base de dat os de los vient os m áxim os en el país con que cuent a el I nst it ut o de I nvest igaciones Eléct ricas ha sido act ualizada y am pliada gracias a los regist ros de las est aciones m et eorológicas del Servicio Met eorológico Nacional; adem ás, para cont ar con m ás dat os de vient os en nuest ras front eras, est os se com plem ent aron con los de las est aciones del Nat ional Met eorological Service de Belice y de la Nat ional Oceanic and At m ospheric Adm inist rat ion ( NOAA) de los Est ados Unidos de Am érica. Asim ism o, la NOAA sum inist ró los dat os correspondient es a los huracanes ocurridos t ant o en las cost as del Pacífico com o en las del At lánt ico y del Caribe. El análisis probabilist a de est a base de dat os, ha perm it ido est ablecer una m ej or est im ación del peligro por vient o en México, el cual es present ado en nuevos m apas de isot acas.

Con la finalidad de m ej orar la seguridad de las est ruct uras ant e el vient o, se ha aplicado el crit erio de Diseño Ópt im o, en el cual se busca m inim izar

los cost os de las pérdidas para diferent es niveles de

im port ancia de las est ruct uras, obt eniendo por prim era vez, t ant o nacional com o int ernacionalm ent e, m apas de velocidades ópt im as. Dadas las fluct uaciones aleat orias de la presión del vient o debidas a la t urbulencia del m ism o y a las caract eríst icas aerodinám icas de los diferent es t ipos de est ruct uras, sus efect os se han est ablecido con base en la definición de coeficient es de form a y fact ores de respuest a dinám ica. En est a nueva edición del Manual de Diseño por Vient o ha part icipado un grupo de expert os m exicanos en la m at eria cuya cont ribución enriquece el conocim ient o de la ingeniería de vient o en México con el fin de lograr diseños est ruct urales por vient o m ás confiables y ópt im os. Est e m anual se ha convert ido sin lugar a dudas en una obra de consult a de gran relevancia para la práct ica, la enseñanza y la invest igación a nivel m undial, siendo est o posible gracias al apoyo de la Com isión Federal de Elect ricidad. Dr. Albert o López López Gerencia de I ngeniería Civil I nst it ut o de I nvest igaciones Eléct ricas Diciem bre, 2008

CONTENIDO

CONTENIDO TOMO I RECOMENDACIONES 4.1 CRITERIOS PARA DISEÑO POR VIENTO..........................................................................................1 4.1.1 4.1.2 4.1.3 4.1.4 4.1.5 4.1.6 4.1.7

ALCANCE...........................................................................................................................................................................1 REQUISITOS GENERALES PARA EL ANÁLISIS Y DISEÑO ESTRUCTURAL................................................................2 CLASIFICACIÓN DE LAS ESTRUCTURAS SEGÚN SU IMPORTANCIA.........................................................................4 CLASIFICACIÓN DE LAS ESTRUCTURAS SEGÚN SU RESPUESTA ANTE LA ACCIÓN DEL VIENTO.......................6 ACCIONES DEL VIENTO QUE DEBEN CONSIDERARSE...............................................................................................7 PROCEDIMIENTOS PARA EVALUAR LAS ACCIONES GENERADAS POR VIENTO ....................................................9 UNIDADES .........................................................................................................................................................................9

4.2 DETERMINACIÓN DE LA VELOCIDAD BÁSICA DE DISEÑO, VD ....................................................1 4.2.1 CATEGORÍAS DE TERRENOS SEGÚN SU RUGOSIDAD...............................................................................................1 4.2.2 MAPAS DE ISOTACAS. VELOCIDAD REGIONAL, VR. ....................................................................................................3 4.2.2.1 VELOCIDAD REGIONAL PARA UN PERIODO DE RETORNO FIJO......................................................................3 4.2.2.2 VELOCIDAD REGIONAL ÓPTIMA ...........................................................................................................................7 4.2.3 FACTOR DE EXPOSICIÓN, Frz .......................................................................................................................................10 4.2.4 FACTOR DE TOPOGRAFÍA, FT ......................................................................................................................................11 4.2.5 PRESIÓN DINÁMICA DE BASE, qz .................................................................................................................................15 4.2.6 PRESIÓN ACTUANTE SOBRE ESTRUCTURAS, pz ......................................................................................................16 4.2.7 FUERZA ACTUANTE EN ESTRUCTURAS .....................................................................................................................17 4.3 ANÁLISIS ESTÁTICO ...........................................................................................................................1 4.3.1 LIMITACIONES ..................................................................................................................................................................1 4.3.2 PRESIONES Y FUERZAS DEBIDAS A LA ACCIÓN DEL VIENTO...................................................................................2 4.3.2.1 Fuerzas sobre construcciones cerradas....................................................................................................................2 4.3.2.2 Construcciones de techos horizontales con extremos inclinados ...........................................................................19 4.3.2.3 Construcciones con techos de claros múltiples (γ < 60°)........................................................................................20 4.3.2.4 Construcciones con cubierta de arco circular..........................................................................................................22 4.3.2.5 Techos aislados.......................................................................................................................................................28 4.3.2.6 Toldos y cubiertas adyacentes a construcciones cerradas.....................................................................................33 4.3.2.7 Techos en voladizo..................................................................................................................................................35 4.3.2.8 Letreros y muros aislados .......................................................................................................................................37 4.3.2.9 Silos y tanques cilíndricos .......................................................................................................................................40 4.3.2.10 Fuerzas en miembros individuales..........................................................................................................................44 4.3.2.11 Chimeneas y torres .................................................................................................................................................50 4.3.2.12 Torres de telecomunicaciones y accesorios............................................................................................................53 4.4 ANÁLISIS DINÁMICO...........................................................................................................................1 4.4.1. LIMITACIONES ..................................................................................................................................................................1 4.4.2. DETERMINACIÓN DE LA VELOCIDAD MEDIA, VD′ .......................................................................................................3 4.4.2.1 Factor de exposición para la velocidad media, Frz′ .................................................................................................3 4.4.3. PRESIÓN ACTUANTE SOBRE ESTRUCTURAS, pz ........................................................................................................4 4.4.4. FUERZA DINÁMICA EQUIVALENTE EN LA DIRECCIÓN DEL VIENTO, Feq, PARA ESTRUCTURAS PRISMÁTICAS Y CILÍNDRICAS .....................................................................................................................................................................5 4.4.4.1 Factor de amplificación dinámica para estructuras prismáticas ................................................................................5 4.4.4.2 Factor de amplificación dinámica para estructuras cilíndricas ................................................................................12

4. I. i

RECOMENDACIONES

4.4.5. FUERZA DINÁMICA EQUIVALENTE EN LA DIRECCIÓN DEL VIENTO, Feq, PARA TORRES DE CELOSÍA AUTOSOPORTADAS.......................................................................................................................................................14 4.4.5.1 Factor de amplificación dinámica para torres de celosía autosoportadas...............................................................15 4.4.6. RESPUESTA DINÁMICA DE CUBIERTAS DEFORMABLES CON FORMA CÓNICA....................................................20 4.4.7. FUERZAS EQUIVALENTES PERPENDICULARES A LA DIRECCIÓN DEL VIENTO. EFECTO DE VÓRTICES PERIÓDICOS. ..................................................................................................................................................................22 4.4.7.1 Velocidad crítica de vórtices periódicos, Vcrít .........................................................................................................23 4.4.7.2 Fuerzas debidas al desprendimiento de vórtices periódicos...................................................................................23 4.4.7.3 Máximo desplazamiento transversal al flujo del viento, YF,máx ...............................................................................24 4.4.7.4 Recomendaciones para disminuir las vibraciones debidas al desprendimiento de vórtices periódicos..................27 4.4.8. INESTABILIDAD AEROELÁSTICA ..................................................................................................................................27 APÉNDICES 4A COEFICIENTES DE FUERZA Y ARRASTRE ......................................................................................1 4A.1 4A.2 4A.3 4A.4 4A.5 4A.6 4A.7

INTRODUCCIÓN................................................................................................................................................................1 ELEMENTOS CON FORMA CILÍNDRICA O PRISMÁTICA CON ARISTAS REDONDEADAS ........................................1 ELEMENTOS CON FORMA PRISMÁTICA CON ARISTAS AGUDAS ..............................................................................1 ELEMENTOS CON FORMA PRISMÁTICA RECTANGULARES.......................................................................................3 PERFILES ESTRUCTURALES ..........................................................................................................................................5 FACTOR DE CORRECCIÓN POR RELACIÓN DE ESBELTEZ........................................................................................5 COEFICIENTES DE ARRASTRE PARA ANTENAS DE MICROONDAS ..........................................................................7

4B INESTABILIDAD AEROELÁSTICA Y CONDICIONES DE SERVICIO ...............................................1 4B.1 INESTABILIDAD AEROELÁSTICA ....................................................................................................................................3 4B.1.1 Galopeo.....................................................................................................................................................................3 4B.1.2 Galopeo en cilindros acoplados ................................................................................................................................5 4B.1.3 Galopeo por interferencia de dos o más cilindros individuales .................................................................................6 4B.2 CONDICIONES DE SERVICIO ..........................................................................................................................................8 4B.2.1 Máximo desplazamiento en la dirección longitudinal ................................................................................................8 4B.2.2 Aceleración máxima en la dirección longitudinal.....................................................................................................10 4C VELOCIDADES REGIONALES ............................................................................................................1 Tabla C.1 VELOCIDADES REGIONALES DE LAS CIUDADES MÁS IMPORTANTES................................................