Estudio sobre cargas de viento en componentes arquitectónicos

Componentes arquitectónicos con cargas de viento

Por: Leana Lu | Ryan Ocampo | Shannon Stever | Estudiantes de Ingeniería Civil en FIU |

Aquí en Eastern Engineering Group, ofrecemos pasantías de ingeniería estructural cada semestre. ¡Sí, nos encanta estar cerca de los estudiantes! En nuestras iniciativas estudiantiles hemos tenido el placer de conocer mentes brillantes y nos enorgullecemos de compartir sus trabajos en nuestras plataformas.

En esta publicación te proponemos una investigación realizada por tres de nuestros dedicados y maravillosos pasantes. Ellos son: Leana Lu, Ryan Ocampo y Shannon Stever estudiantes de ingeniería de la Universidad Internacional de Florida. Esperamos que te resulte útil y provechosa esta información. Para ver el documento completo, consulte el PDF en el final de este artículo. ¿El tema? Cargas de viento en componentes arquitectónicos. 

Universidad Internacional de Florida

Para obtener una mejor comprensión de cómo las cargas de viento afectan los componentes arquitectónicos, seleccionamos dos estructuras del mundo real ubicadas en la comunidad del sur de Florida. Las elegidas fueron la “Terminal de Cruceros de Royal Caribbean” en el Puerto de Miami; y el Campus Modesto A. Meidique, hogar original de la Universidad Internacional de Florida (FIU) 

Consideramos que estas estructuras por sus diversos componentes arquitectónicos, que incluyen puertas de vidrio, barandillas, columnas, marquesinas y muros cortina, eran las idóneas para realizar dicho estudio. Para obtener toda la información contactamos a algunos ingenieros que desempeñaron un papel importante en el diseño y desarrollo de ingeniería en estas construcciones. En las siguientes dos secciones, te damos los hallazgos y diferencias más significativas encontradas en ambas.

Terminal de cruceros Royal Caribbean

El primer estudio de caso de esta investigación es la terminal de cruceros de Royal Caribbean en el puerto de Miami. 

La estructura es un excelente ejemplo de un sistema de muro cortina que incluye muros inclinados únicos. Realizados con la intención de imitar la forma de una corona de cristal gigante. Tuvimos la oportunidad de hablar con el ingeniero del proyecto. De esta forma pudimos aprender más sobre el diseño específico y las pruebas realizadas en esta terminal de cruceros.

En el diseño y construcción de “La Real Terminal de Cruceros del Caribe” fueron realizados con elementos prefabricados de hormigón que envuelven el edificio como un esqueleto

Esto consiste principalmente en un sistema de muro cortina unido al exterior de la estructura. La composición del muro cortina en la terminal de cruceros se compone de paneles de vidrio laminado de doble aislamiento. El aluminio de los montantes sostiene la estructura y las juntas de silicona los conectan a ella. La conexión de los parteluces es cada 16 pies en dirección horizontal y cada 4 pies y 6 pulgadas en dirección vertical.

El sistema de muro cortina no proporciona ningún soporte, ni mitiga ninguna carga de viento a la estructura general. Principalmente, se adapta a la intención arquitectónica y a la visión de parecerse a una gigante corona de cristal. El sistema de muro cortina soporta su propio peso y transfiere la gravedad y las cargas de viento lateralmente. Estas cargas se trasladan a los montantes, que luego se transfieren a la estructura.

Sistema de ventana de muro cortina

El diseño del sistema de muro cortina cumple con el Código de Construcción de Florida y ASCE 7. Basados ​​en sus componentes, utilizaron dos factores de seguridad.

Para crear el esqueleto se utilizó una carga y factor de seguridad de diseño, de factor de resistencia (LRFD) de 1.0. El segundo utilizó un factor de seguridad 2 en el diseño de las fuerzas de reacción porque al duplicar las fuerzas y tensiones también duplicaría la resistencia de los muros cortina. De esta manera mejorarían la seguridad y durabilidad de la estructura general. 

El muro cortina puede soportar los efectos de intensos vientos a 175 mph y más, por 700 años. 

El diseño se seleccionó de un aviso de aceptación de aprobación de Florida (NOA). Un NOA es un certificado emitido y aprobado por la sección de control del Departamento de Recursos Regulatorios y Económicos del Condado de Miami-Dade. Un NOA certifica la integridad estructural y la resistencia a impactos climáticos extremos de productos de ingeniería diseñados de acuerdo a rigurosas reglas y regulaciones (K-Line Impact). 

Sin embargo, el sistema de muro cortina inclinado, en el lado oeste, no usó un NOA. Por lo tanto, esto requirió una prueba de túnel de viento en ese lado de la estructura. Así, se pudo verificar que el diseño cumplía con el código de seguridad estipulado para los edificios de Florida. Los estándares del código y el diseño demostraron que podía funcionar con éxito bajo las fuerzas de los vientos huracanados.

Estudio del túnel de viento

El estudio del túnel de viento fue realizado por ingenieros consultores de RWDI. Esto se llevó a cabo utilizando una escala de 1: 300. El modelo de la estructura es un túnel de viento de capa límite de 12 pies por 7 pies. Los procedimientos de prueba del túnel de viento siguieron los requisitos establecidos en la Sección 31.2 de la Norma ASCE 7-10. Dicho modelo se analizó bajo la categoría de exposición “C” donde se consideró terreno abierto. Esto de acuerdo con el diseño estándar de carga de viento, para zonas de huracanes de alta velocidad, establecido por el Código de Construcción de Florida y ASCE 7.

En este estudio, se utilizó la velocidad del viento de Miami, que es de 3 segundos ráfagas de viento de 175 mph a una altura de 33 pies en un entorno de terreno abierto. El modelo fue equipado con tomas de presión y probado con un modelo a escala del entorno existente dentro de un 1,200-ft radio. El modelo probado no contenía estructuras u objetos adicionales, incluidos cruceros atracados o contenedores de envío.

Para esta terminal se modelaron componentes de viento horizontales e inclinados.

Expusieron cada lado de la estructura a presiones de viento negativas que van desde -50 a -180 lb / ft 2, y presiones positivas que van desde +50 a +110 lb / ft 2. También aplicaron presiones internas y externas en el estudio del túnel de viento para determinar la presión neta aplicable para su diseño. Las fachadas de la terminal recibieron una presión interna de ± 20 lb / pie 2. Los techos y plafones recibieron una presión interna de ± 11 lb / pie 2 para evaluar la cantidad de carga de viento que los parteluces de aluminio podían soportar. Todos estos accesorios pasaron por un proceso de análisis.

Resultados del estudio del túnel de viento

En el estudio del túnel de viento se descubre que las presiones del viento no son las mismas a cada lado del edificio. Los resultados indicaron que el muro cortina inclinado hacia el oeste es el lado más vulnerable de la estructura. Este lado recibe la mayor cantidad de cargas de cada componente en balance con los muros cortina enmarcados verticalmente. Desde el diseño, considerado un entorno de terreno abierto, la estructura era más susceptible a mayores cargas de viento. Dicho estudio también determinó que el sistema de muro cortina necesitaba un refuerzo adicional en el parteluz debido a fuertes presiones de viento ejercidas sobre la estructura.

El diseño y prueba del sistema de muro cortina y refuerzo de montantes dirigido por Eastern Engineering Group aumentó la resistencia y durabilidad de la terminal de cruceros de Royal Caribbean en general. El trabajo realizado por Eastern Engineering Group ayudó al arquitecto e ingeniero de registro a seguir diseñando los muros cortina restantes para la estructura.

Centro de éxito académico estudiantil

Hay muchos tipos de edificios que incorporan una multitud de accesorios arquitectónicos a sus diseños estructurales. Cabe destacar uno de ellos por la incorporación de estructuras y componentes arquitectónicos: el Student Academic Success Center (SASC), como se muestra en la Figura 15 (PDF). Ubicado en el campus de Modesto A. Maidique en la Universidad Internacional de Florida (FIU) en Miami, Florida. 

Para determinar detalles específicos sobre este edificio, Scott Martin, director de Walter P. Moore, nos proporcionó toda la información. Así conocimos que para la ingeniería estructural de la estructura contrataron a Walter P. Moore.

Aspectos de este proyecto

Uno de los detalles más relevantes del diseño de este proyecto fue que no se realizó un estudio de túnel de viento.  Se basaron en que el edificio no era lo suficientemente grande. Cualquier hallazgo descubierto en el estudio de túnel de viento no implicaría ninguna reducción en los costos. La estructura fue diseñada para tener una vida útil de 50 a 75 años. No hubo en términos de capacidad de servicio ninguna especificación hecha por el propietario. En la estructura, las cargas de vientos fueron un factor que tuvo que ser reconsiderado en múltiples elementos.

El SASC era una instalación educativa con espacios de alta ocupación. Por lo tanto, eligieron construirlo categoría de riesgo III para pilotar los parámetros de carga de viento. Los ingenieros diseñaron el edificio para soportar velocidades de hasta 170 mph, especificado en el Código de Construcción de Florida. Además, utilizaron la dinámica de fluidos para analizar los efectos del viento en el edificio. Esto último, determinó cómo respondería el edificio a velocidades extremas. Este proceso desarrolló perfiles de velocidad que ayudaron a concluir que los coeficientes de arrastre y las presiones del viento estaban en su punto más alto en la parte superior del edificio.

Detalles importantes

El proyecto fue diseñado originalmente para tener paneles metálicos en las paredes. Sin embargo, eligieron utilizar en su lugar elementos prefabricados de hormigón. Con ellos la construcción se hizo más rápida. Sin embargo, los parámetros relacionados con el diseño de los componentes arquitectónicos y estructurales cambiaron. Esto trajo como consecuencia que las columnas y vigas tuvieran que realizarse más rígidas para sostener todo el prefabricado.

Anexos arquitectónicos

Algunos elementos que se pueden notar dentro de esta estructura son los muros cortina, techo, barandas, barandillas, columnas y marquesina. El ingeniero especificó que los componentes arquitectónicos no proporcionaron ningún tipo de mitigación o soporte para la estructura. Se usaron únicamente por estética. También señaló que, según el código, las barandillas soportaban menos carga de viento de las establecidas.  

No obstante, el sistema de techo y muro cortina se diseñó para un evento de velocidad del viento de 50 años. Específicamente, el sistema de muro cortina era un sistema de vidrio y aluminio y el diseño es parte de la estructura, desde el suelo hasta el sistema de techo. En este sistema de vidrio, se utilizó revestimiento y se requirió de un contratista específico para que fuese instalado. Los montantes verticales se sujetaron de techo a piso. Las ataduras de las vigas horizontales se ciñeron a las columnas. Los montantes le añadieron resistencia al muro cortina contra los efectos del viento, mientras que los componentes horizontales, llamados cinturones, recogían los vientos. En definitiva, ambos componentes actúan como un sistema.

Al hablar de los efectos del viento

Al hablar de los efectos del viento, una característica interesante del Centro de Éxito Académico Estudiantil en el campus es el voladizo. El voladizo y la pared cercana a este, recibieron una presión negativa de -173.9 lb / pie 2 de carga de viento que fluye sobre la parte superior del edificio. Mientras que debajo del voladizo fluía una presión positiva de +149,3 lb / pie 2. Estas presiones positivas de viento afectan directamente el muro cortina y las vigas, ya que absorben cargas que luego se transfieren a las columnas. 

Otros componentes arquitectónicos interesantes en este edificio son los paneles laterales. Estos absorben la mayor parte de la carga del viento en el edificio. Si bien el diseño de las marquesinas, ubicadas en la parte superior de los escalones de césped, fueron capaces de soportar los efectos del viento; en contraste, los componentes estructurales mitigaron las cargas del viento.

Necesitaban el diseño del esqueleto de la estructura para poder analizar las cargas que soportaría cada componente. Al diseñarlo, utilizaron ASCE 7 y el Código de Construcción de Florida para determinar las cargas de viento. Había componentes estructurales, con un diseño que combate específicamente las cargas de levantamiento y cizallamiento. Estos componentes incluían los muros de corte prefabricados, ubicado en el extremo norte del edificio, que toma la mayor parte de las cargas de viento y las transfiere a la estructura. Mientras que el diseño de los plafones prefabricados estaba en contra de la elevación.

Conclusiones

Para leer las conclusiones de los alumnos sobre este tema, consulte el PDF que adjuntamos a continuación. A nombre de Eastern Engineering Group; queremos agradecer a Leana Lu, Ryan Ocampo y Shannon Stever por permitirnos compartir su investigación. Su artículo es mucho más detallado y extenso, y nos gustaría alentarlos a que lo lean. Es muy revelador y muestra lo duro que trabajaron. Este es solo uno de los innumerables ejemplos en los que aprendemos de los estudiantes con los que entablamos relaciones. ¡Pregúntenos sobre nuestro programa de prácticas y otras iniciativas estudiantiles que brindamos!

** El equipo de marketing de Eastern Engineering Group cambió parte de la redacción por propósitos de SEO. Consulte el PDF adjunto a este documento para ver el trabajo de investigación original. **

PDF – Wind Loads on Archiectural Attachments by Leana Lu, Ryan Ocampo, and Shannon Stever

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