Efectos del Viento y Sismos en Equipos Verticales. Entendiendo las Cargas de Viento y Sismo en Equipos Verticales. Presentado por: Intergraph

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Efectos del Viento y Sismos en Equipos Verticales

Entendiendo las Cargas de Viento y Sismo en Equipos Verticales Presentado por: Intergraph

Considerando una Torre Típica

Efectos del Viento y Sismos en Equipos Verticales Considere un torre típica

11/03/2013

2

Considerando una Torre Típica No hay viento ni sismo Sometida únicamente al peso en cualquier sección Produciendo un esfuerzo de compresión axial en las paredes de la coraza W

11/03/2013

3

Considere un torre típica No Ahora hayincluimos viento ni sismo una fuerza lateral como ésta Sometida únicamente al peso en cualquier sección Produciendo un esfuerzo de compresión axial en las paredes de la coraza W

Esfuerzo de compresión = W / Área

Área

11/03/2013

4

Considere un torre típica Ahora incluimos una fuerza lateral como ésta Ahora tenemos un momento flector alrededor de X-X

W

x

11/03/2013

x

5

Considere un torre típica Ahora incluimos una fuerza lateral como ésta Ahora tenemos un momento flector alrededor de X-X Compresión en un lado, tensión en el otro ¿Qué pasa W con el efecto de la presión?

M

x

11/03/2013

x

6

Considere un torre típica ¿Qué pasa con el efecto de la presión? Da lugar al esfuerzo de tensión en la pared El vacío da lugar al esfuerzo de compresión Entonces hay tres casos de carga básicos a considerar 1 Peso - compresión

P x

W

2 Momento – compresión/tensión M x

3 Presión – compresión/tensión

P

Ahora se puede crear la ecuación básica de esfuerzo axial

11/03/2013

7

Considere un torre típica Ahora se puede crear la ecuación básica de esfuerzo axial Primero Ahora consideramos consideramos el el esfuerzo peso Wde la presión P Ésta es la ecuación de esfuerzo (compresión): σ = - W / Área de la sección transversal -W =

πDt t D

11/03/2013

8

Considere un torre típica Ahora se puede crear la ecuación básica de esfuerzo axial Ahora consideramos Finalmente consideramos el esfuerzo el momento de la presión M P Puede ser tensión o compresión σ = P x Área Total/ Área de la sección transversal =

PD + - 4t

t D

11/03/2013

9

Considere un torre típica se puede la crear la ecuación básica de esfuerzo axial Ahora tenemos ecuación final completa Finalmente consideramos el momento M Existen esfuerzos de compresión y tensión σ = M / Módulo de Sección + = -

4M

π D2 t t D

11/03/2013

10

Considere un torre típica Ahora tenemos la ecuación final completa σ =

-W

πDt Peso Peso

PD + - 4t Presión

+ -

4M

π D2 t Momento w M

P

11/03/2013

11

Considere un torre típica Ahora consideramos tenemos la ecuación el efecto final delcompleta viento – primero métrico σ =

-W

πDt Peso

Vacío Operando Prueba Hidrostática (PH)

PD + - 4t

+ -

4M

π D2 t

Presión

Momento

Sin presión Presión de operación

Sin momento Momento debido al viento

Presión de PH

Momento debido a sismo

Vacío

Momento debido a la PH

Estos casos de carga existen en cualquier combinación Arriba se ven representados 48 casos de carga

11/03/2013

12

Considere un torre típica Ahora consideramos el efecto del viento – primer métrico El viento es aire en movimiento

Tiene densidad ρv2

Por lo tanto tiene Energía Cinética 2 Las unidades de esta ecuación resultan en lo siguiente: kg m3

x

m2

De la ley de Newton f = ma

sec2

Las unidades se vuelven Newtons / m2

Aire

= Pascales

Velocidad v= m/s

Densidad ρ = 1.226 kg/m3 11/03/2013

13

Considere un torre típica Ahora consideramos el efecto del viento – primer métrico El viento es aire en movimiento

Tiene densidad ρv2

Por lo tanto tiene Energía Cinética 2 Las unidades de esta ecuación resultan en lo siguiente: kg m3

x

m2

De la ley de Newton f = ma

sec2

Las unidades se vuelven Newtons / m2 Estas son unidades de Presión

= Pascales De la ecuación de Bernoulli

Densidad ρ = 1.226 kg/m3 Por lo tanto la presión q = 0.613v2 (Pascales) 11/03/2013

14

Considere un torre típica Ahora consideramos el efecto del viento – primer métrico Por lo tanto la presión q = 0.613v2 (Pascales) Unidades habituales de EUA q = 0.00256v2 psf lbf/(mph x ft)2

0.00256 x v2 mph

= q lbf/ft2

Ahora veamos el efecto del viento en la torre

11/03/2013

15

Considere un torre típica Ahora veamos el efecto del viento en la torre La fuerza en este elemento es: Presión x Área F = qDL

Momento alrededor de x-x = FL/2

D

q

L Centroide

L/2 x 11/03/2013

x 16

Considere un torre típica Ahora veamos el efecto del viento en la torre La fuerza en este elemento es: Presión x Área F = qDL

11/03/2013

Momento alrededor de x-x = FL/2

17

Considere un torre típica Ahora el efecto del viento en la Ahora veamos examinamos las características deltorre viento F = qDL

Momento alrededor de x-x = FL/2

Aquí están las fuerzas actuando en la torre Y aquí están los momentos actuando en la torre Las fuerzas y los momentos se pueden obtener de cualquier sección

F6 F5 F4

La suma de las fuerzas dan la sismorresistencia base

F3 F2 F1 11/03/2013

18

Considere un torre típica Ahora veamos examinamos los efectos las características de un sismodel viento Consideremos la altitud y la velocidad del viento A bajas temperaturas hay fricción del suelo

Altitud m / ft

Edificaciones, Flora, Estructuras etc., frena al viento

10m / 30ft Datum Velocidad del viento v m/s | mph 11/03/2013

19

Considere un torre típica Ahora veamos los efectos de un sismo Nos interesa el movimiento Horizontal del suelo No se puede mover así con movimientos repentinos

11/03/2013

20

Considere un torre típica Ahora veamos los efectos de un sismo Nos interesa el movimiento Horizontal del suelo No se puede mover así con movimientos repentinos Se quiere mover así, pero esto es imposible Esto es lo que realmente pasa

Los elementos superiores se quieren quedar atrás

11/03/2013

21

Considere un torre típica Esto es lo que realmente pasa Esto produce un momento de flexión en la pared de la coraza Como respuesta obtenemos un esfuerzo axial Volvemos a nuestra ecuación de esfuerzo básica

11/03/2013

22

Considere un torre típica Volvemos a nuestra ecuación de esfuerzo básica σ =

-W

πDt

PD + - 4t

+ -

4M

π D2 t

El momento viene de los efectos de viento y sismo

Consideremos un código particular de viento Código de Viento ASCE Parte 7 – 1993 Éste es uno de los muchos códigos de viento que se pueden especificar en

PV Elite

11/03/2013

23

Considere un torre típica Código de Viento ASCE Parte 7 – 1993 Así es como se introduce la información en PV Elite

91.65

Velocidad de viento básica

Grado

11/03/2013

24

Considere un torre típica Código de Viento ASCE Parte 7 – 1993 Así es como se introduce la información en PV Elite

91.65

Velocidad de viento básica Exposición Edificaciones Bosques Expuesto a la costa Etc.

11/03/2013

25

Considere un torre típica Código de Viento ASCE Parte 7 – 1993 Así es como se introduce la información en PV Elite

91.65

Velocidad de viento básica Exposición Importancia Éste es un factor de seguridad que asegura que la estructura se mantendrá de pie.

11/03/2013

26

Considere un torre típica Código de Viento ASCE Parte 7 – 1993 Así es como se introduce la información en PV Elite

91.65

Velocidad de viento básica Exposición Importancia Rugosidad La rugosidad aumenta la resistencia al viento – mayores fuerzas de viento.

11/03/2013

27

Considere un torre típica Código de Viento ASCE Parte 7 – 1993 Así es como se introduce la información en PV Elite

91.65

Velocidad de viento básica Exposición Importancia Rugosidad Factor β Ésta es una característica de vibración.

Se refiere a cómo las vibraciones se desvanecen. 11/03/2013

28

Considere un torre típica Esto se refiere a cómo las vibraciones se desvanecen Considere una torre que está vibrando así Después de un tiempo las vibraciones se detienen Podemos representar las vibraciones como una onda sinusoidal

11/03/2013

29

Considere un torre típica Esto se refiere a cómo las vibraciones se desvanecen Considere la torre que está vibrando así Después de un tiempo las vibraciones se detienen Podemos representar las vibraciones como una onda sinusoidal Nótese el parámetro exponencial

- Parámetro decadente

Ae-βt f = frecuencia Hz

Amplitud

Sin(2πft)

Tiempo t 11/03/2013

30

Considere un torre típica de Viento Parte 7 – 1993 EstoCódigo se refiere a cómoASCE las vibraciones se desvanecen Considere la torre está vibrando así Así es como se que introduce la información en PV Elite Después de un tiempo las vibraciones se detienen Podemos representar las vibraciones como una onda sinusoidal Nótese el parámetro exponencial 91.65

-Parámetrodedecadente Velocidad viento básica

Finalmente la ecuación de vibración es x=

Ae-βt

Sin(2πft)

β se conoce como el decremento logarítmico

Exposición Importancia Rugosidad Factor β

Ésta es la característica decadente de la vibración

11/03/2013

31

Considere un torre típica Código de Viento ASCE Parte 7 – 1993 Así es como se introduce la información en PV Elite

91.65

Velocidad de viento básica Exposición Importancia Rugosidad Factor β

Ahora podemos hacer un ejemplo de cálculo 11/03/2013

32

Considere un torre típica Código de Viento ASCE Parte 7 – 1993 Ahora podemos hacer un cálculo de ejemplo Consideremos esta torre para hacer el análisis del faldón 1.2 X 60 = 72” Cabezas 2:1 Todas las paredes tienen un espesor de 3/8” Diámetro exterior 60”

120”

El multiplicador del diámetro es de 1.2

60” 11/03/2013

33

Considere un torre típica Código de Viento ASCE Parte 7 – 1993

z = altura de la torre = 180 in Por ASCE: Categoría de exposición C 1.2 X 60 = 72”

120”

15 ft 180”

α = 7.0, zg = 900 x 12 =10 800 in, Do = 0.005

60” 11/03/2013

34

Considere un torre típica Código de Viento ASCE Parte 7 – 1993

z = altura de la torre = 180 in Por ASCE: Categoría de exposición C α = 7.0, zg = 900 x 12 =10 800 in, Do = 0.005

1.2 X 60 = 72”

kZ = Coeficiente de la Presión por Velocidad

120”

15 ft 180”

= 2.28 ( 180 / 10800 ) ( 2 / 7 ) kZ = 0.801

60” 11/03/2013

35

Considere un torre típica Código de Viento ASCE Parte 7 – 1993

z = altura de la torre = 180 in Por ASCE: Categoría de exposición C α = 7.0, zg = 900 x 12 =10 800 in, Do = 0.005

1.2 X 60 = 72”

kZ = 0.801

I = 1.0 Factor de Importancia v = 120 mph Velocidad del Viento 120”

15 ft 180”

qZ = 0.00256 x kZ x (I x v)2 Ecuación C1 = 0.00256 x 0.801 x (1.0 x 120)2 qZ = 29.524 psf – Presión del viento

60” 11/03/2013

36

Considere un torre típica Código de Viento ASCE Parte 7 – 1993

qZ = 29.524 psf – Presión del viento Área proyectada del faldón A = 5 ft x 6 ft = 30 ft2

1.2 X 60 = 72”

Fuerza del viento en el faldón FW = qZ x A = 29.524 x 30 120”

15 ft 180”

FW = 885.72 lbf fuerza en el faldón

60” 11/03/2013

37

Considere un torre típica Código de Viento ASCE Parte 7 – 1993

FW = 885.72 lbf fuerza en el faldón Hay que ajustar la fuerza del viento Necesitamos TZ de la ecuación C6 TZ = 2.35 x DO0.5 / (z/30)1/ α = 2.35 x 0.0050.5 / (16.432 / 30)1/7 TZ = 0.181 120”

15 ft 180”

16.432 ft

60” 11/03/2013

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Considere un torre típica Código de Viento ASCE Parte 7 – 1993

FW = 885.72 lbf fuerza en el faldón TZ = 0.181 Necesitamos un Factor de Ráfagas GZ = 0.65 + 3.65TZ Ecuación C5 = 0.65 + 3.65 x 0.181 GZ = 1.311

11/03/2013

39

Considere un torre típica Código de Viento ASCE Parte 7 – 1993

FW = 885.72 lbf fuerza en el faldón TZ = 0.181 GZ = 1.311 Factor de Forma CF = 0.54 Ahora podemos ajustar la fuerza del viento F = FW x TZ x CF = 885.72 x 0.54 x 1.311 F = 626.6 lbf fuerza en el faldón

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40

Considere un torre típica Código de Viento ASCE Parte 7 – 1993

F = 626.6 lbf fuerza en el faldón Podemos sumar las otras fuerzas Fuerza Cortante Base Total FB = 125.7+1251.4+626.6 125.7 lbf

FB = 2002.84 lbf sismorresistencia base

1251.4 lbf

626.6 lbf 11/03/2013

2002 lbf

41

Considere un torre típica Código de Viento ASCE Parte 7 – 1993

M = 16031 ft-lbf = 192375 in-lbf lbf sismorresistencia base FB = 2002.84 Ahora consideramos el momento en la base M = 626 x 2.5 + 1251 x 10 + 125 x 15.5 M = 16031 ft-lbf = 192375 in-lbf 125.7 lbf 15.53 1251.4 lbf

10 626.6 lbf 2.5 11/03/2013

42

Considere un torre típica Código de Viento ASCE Parte 7 – 1993

M = 16031 ft-lbf = 192375 in-lbf Recordemos la ecuación de esfuerzo σ =

-W

πDt

PD + - 4t

+ -

4M

π D2 t

Ahora podemos evaluar el esfuerzo para M σ =

σ =

11/03/2013

+ -

4M =

π D2 t

+ -

4 x 192375

π 602 x 0.375

184.87 psi -

43

Considere un torre típica Ahora, Códigopara de Viento un tema ASCE nuevo Parte 7 – 1993 σ =

184.87 psi -

Aquí está el reporte de PV Elite:

Nótese el esfuerzo negativo en el otro lado

Positivo

11/03/2013

Negativo

44

Considere un torre típica Ahora, para un tema nuevo : Cargas Sísmicas Movimiento repentino del suelo – dos componentes: vertical y horizontal

11/03/2013

45

Considere un torre típica Ahora, para un tema nuevo : Cargas Sísmicas Movimiento repentino del suelo – dos componentes: vertical y horizontal

Algunas veces ignoramos el componente vertical El componente horizontal distorsiona el recipiente

Vertical

Horizontal

Miremos a la ecuación básica que aplica 11/03/2013

46

Considere un torre típica

Carga sísmica

Miremos a la ecuación básica que aplica 2da Ley de Newton:

fuerza= masa x aceleración - Y la reacción

Éste es el resultado para un elemento Más las fuerzas de todos los elementos de arriba Ésta es la base para el análisis sísmico

Los elementos tratan de rotar – resultando un esfuerzo axial

Más las otras fuerzas m x a fuerza de reacción Aceleración a Ahora consideramos un cálculo de ejemplo 11/03/2013

47

Considere un torre típica

Carga sísmica

Ahora consideramos un cálculo de ejemplo = 0.4 x 9.8067 m/s2

g aceleración = 0.4 a aceleración = 3.9227 m/s2

1.5 m

1.5 m

1.5 m 11/03/2013

Masa 372.839 kg

Masa 372.839 kg

Masa 372.839 kg

48

Considere un torre típica

Carga sísmica

a aceleración = 3.9227 m/s2 En cada sección f = m x a = 3.9227 x 372.839 f = 1462.42 Newtons (N)

Configure las fuerzas en el modelo

Cambie los brazos de los momentos

1.5 m

Masa 372.839 kg

1462.42 N

Masa 372.839 kg

1462.42 N

Masa 372.839 kg

1462.42 N

3750 1.5 m 2250 1.5 m 750 11/03/2013

49

Considere un torre típica

Carga sísmica

Momento enresultados la base = 1462.42 (750 + 2250 + 3750) Estos son los de PV Elite = 9.875E6 mm-N Siguiente nivel

= 1462.42 (750 + 2250) = 4.389E6 mm-N

Último nivel

= 1462.42 (750) = 1.097E6 mm=N 1462.42 N 1.097E6 mm-N

3750

1462.42 N 4.389E6 mm-N

2250

1462.42 N 750 11/03/2013

9.875E6 mm-N

50

Considere un torre típica

Carga sísmica

Utilizando la ecuación Estos son los resultadosdel deesfuerzo, PV Elite calculamos el esfuerzo base

1.097E6 mm-N

4.389E6 mm-N

11/03/2013

9.875E6 mm-N

51

Considere un torre típica

Carga sísmica

Utilizando la ecuación del esfuerzo, calculamos el esfuerzo base σ =

-W

πDt

PD + - 4t

1010 10

σ =

+ -

+ -

4M

π D2 t

4 x 9.875E6

π 10102 x 10

σ = 1.24 MPa (N/mm2)

11/03/2013

9.875E6 mm-N

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Considere un torre típica

Carga sísmica

2) simple g – caso más simple Consideramos carga σ = 1.24 MPa una (N/mm

Estos son los resultados de PV Elite

Éste es el otro lado de la torre

positivo

11/03/2013

negativo

53

Considere un torre típica

Carga sísmica

Consideramos una carga simple g – caso más simple Los sismos son más complejos - veamos

Movimiento del suelo [in]

Esto es lo que realmente pasa en un sismo

11/03/2013

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Carga sísmica

Movimiento del suelo [in]

Considere un torre típica

Pero, todos los sismos son diferentes – no hay repeticiones Estamos forzados a utilizar un método estático simplificado

11/03/2013

55

Considere un torre típica

Carga sísmica

Estamos forzados a utilizar un método estático simplificado Códigos probados y aceptados hacen el problema más fácil

11/03/2013

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Considere un torre típica

Carga sísmica

Estamos forzados a utilizar un método estático simplificado Códigos probados y aceptados hacen el problema más fácil Esto ha sido una breve mirada a las consideraciones de viento y sísmicas

PV Elite tiene como opción un análisis de espectro de respuesta que obtiene resultados más precisos.

¿Preguntas? 11/03/2013

57

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