Cómo calcular la carga del viento

El viento es una masa de aire que se mueve principalmente en dirección horizontal desde un área de alta presión hasta una con baja presión.^{[1]XFuente de investigación} Los vientos fuertes pueden ser muy destructivos debido a que generan presión contra la superficie de una estructura. La intensidad de esta presión se conoce como "carga de viento". El efecto del viento dependerá del tamaño y la forma de la estructura. Por ello, es necesario calcular la carga de viento para determinar el diseño y la construcción de edificios más seguros y más resistentes, así como la colocación de objetos como antenas en la parte superior de las edificaciones.

Método 1

Método 1 de 3:

Calcular la carga del viento por medio de una fórmula genérica

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La fórmula genérica para la carga del viento es F = A x P x Cd, en donde F es la fuerza o la carga del viento, A es el área proyectada del objeto, P es la presión del viento y Cd es el coeficiente de arrastre.^{[2]XFuente de investigación} Esta ecuación sirve para calcular la carga del viento sobre un objeto específico, pero no reúne los requerimientos del código de construcción para la planificación de una nueva construcción.
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Encuentra el área proyectada "A". Esta es el área bidimensional que el viento golpea.^{[3]XFuente de investigación} Para un análisis completo, repetirás el cálculo para cada lado del edificio. Por ejemplo, si un edificio tiene un lado oeste con un área de 20 m², usa un valor para "A" para calcular la carga del viento en el lado oeste.
- La fórmula para calcular el área depende de la forma del lado. Para una pared plana, utiliza la fórmula: Área = largo x altura. Aproxima el área de un lado de la columna con Área = diámetro x altura.
- Para cálculos en el sistema internacional, mide "A" en metros cuadrados (m²).
- Para cálculos imperiales, mide A en pies cuadrados.
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Calcula la presión del viento. La fórmula simple para la presión del viento P en unidades imperiales (libras por pie cuadrado) es $P=0,00256V^{2}$ $How.com.vn Español: P=0,00256V^{2}$ , en donde V es la velocidad del viento en millas por hora (mph).^{[4]XFuente de investigación} Para encontrar la presión en las unidades del sistema imperial (newtons por metro cuadrado), utiliza $P=0,613V^{2}$ $How.com.vn Español: P=0,613V^{2}$ y mide V en metros por segundo.^{[5]XFuente de investigación}
- Esta fórmula se basa en el código de ética de la Sociedad Americana de Ingenieros Civiles (ASCE, por sus siglas en inglés). El coeficiente 0,00256 es el resultado de un cálculo basado en valores típicos para la densidad del aire y la aceleración gravitatoria.^{[6]XFuente de investigación}
- Los ingenieros utilizan una fórmula más precisa para tener en cuenta un factor como los alrededores del terreno y el tipo de construcción. Puedes buscar una fórmula en el código de ASCE 7-05, o utilizar la siguiente fórmula UBC.
- Si no estás seguro de lo que es la velocidad del viento, busca el pico de la velocidad del viento en tu área al utilizar el estándar de la Alianza de Industrias Electrónicas (EIA, por sus siglas en inglés). Por ejemplo, la mayoría en los Estados Unidos, en la Zona A tienen vientos de 140 km/h (86,6 mph), pero en las zonas costeras puede quedarse en la Zona B a 160 km/h (100 mph) o Zona C a 180 km/h (111,8 mph).
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Determina el coeficiente de arrastre para el objeto en cuestión. El arrastre es la fuerza que el aire ejerce sobre el edificio, afectado por la forma del edificio, la rigidez de su superficie y muchos otros factores. Por lo general, los ingenieros miden el arrastre directamente usando experimentos, pero para un cálculo de la rigidez, puedes buscar un coeficiente típico de arrastre para la forma que estás midiendo. Por ejemplo:^{[7]XFuente de investigación}
- El coeficiente de arrastre estándar para un cilindro largo es de 1,2 mientras que para uno corto es de 0,8. Esto se aplica a las antenas en forma de tubo que se encuentran en muchos edificios.
- El coeficiente estándar para una placa plana como la que se encuentra en la fachada de un edificio es de 2,0 en el caso de que sea larga o de 1,4 en el caso de una más corta.
- El coeficiente de arrastre no tiene unidades.
- El coeficiente de arrastre no tiene unidades que lo representen.
Utiliza los valores determinados anteriormente para calcular la carga del viento con la siguiente ecuación: F = A x P x Cd.
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Por ejemplo, supongamos que quieres determinar la carga del viento en una antena que mide 0,9 m (3 pies) de largo con un diámetro de 1,25 cm (0,5 pulgadas) y donde el viento sopla a 112 km/h (70 mph).
- Comienza calculando el área proyectada. En este caso, $A=dw=(0,9m)(1,27cm)(0,30m/30cm)=0,03m(0,125pies)^{2}$
- Calcula la presión del viento: $P=0,00256V^{2}=0,00256(70^{2})=32,11kg/m(12,5psf)$
- Para un cilindro corto, el coeficiente de arrastre es de 0,8.
- Reemplaza las variables en la ecuación: $F=AxPxCd=0,01125x32,11x0,8=0,29kg(1,25lb).$
- La cantidad de viento que golpea sobre la antena es de 0,29 kg (1,25 lb).
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Método 2

Método 2 de 3:

Calcular la carga del viento utilizando la fórmula de la Alianza de Industrias Electrónicas

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La fórmula para la carga del viento es F = A x P x Cd x Kz x Gh, donde A es el área proyectada, P es la presión del viento, Cd es el coeficiente de arrastre, Kz es el coeficiente de exposición y Gh es el factor de respuesta de ráfaga. Esta fórmula requiere algunos parámetros más para la carga del viento. Por lo general, esta fórmula sirve para calcular la carga del viento en las antenas.
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Entiende las variables de la ecuación. Si quieres utilizar correctamente una ecuación, primero debes entender lo que significa cada variable y cuáles son sus unidades asociadas.
- A, P y Cd son las mismas variables que se emplean en la ecuación genérica.
- Kz es el coeficiente de exposición y se calcula teniendo en cuenta la altura desde el suelo hasta el punto medio del objeto. El Kz se representa en metros.
- Gh es el factor de respuesta de ráfaga y se calcula tomando en cuenta toda la altura del objeto. Las unidades de Gh son 1/m o m^-1.
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Determina el área proyectada. El área proyectada del objeto dependerá de su forma y tamaño. Si el viento golpea una pared plana, el área proyectada será mucho más sencilla de calcular en comparación a si el objeto fuera redondo. El área proyectada será una aproximación del área que entra en contacto con el viento. No existe una fórmula para calcular esta área, pero puedes hacerlo con algunos cálculos básicos. Las unidades que representan el área son m².
- En el caso de una pared plana, utiliza la fórmula: “Área = largo x ancho” midiendo el largo y ancho de la pared donde golpea el viento.
- En el caso de un tubo o una columna, también puedes calcular el área utilizando el largo y el ancho. En este caso, el ancho será el diámetro del tubo o columna.
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Calcula la presión del viento. La presión del viento se determina por medio de la ecuación: P = 0,00256 x V², donde V es la velocidad del viento en km/h. la unidad para representar la presión del viento es el kilogramo por metro cuadrado (kg/m²).
- Por ejemplo, si la velocidad del viento es de 112 km/h (70 mph), la presión del viento será de 0,00256 x 112² = 32,11 kg/m².
- Una alternativa al cálculo de la presión del viento en una velocidad particular consiste en emplear la norma para las diferentes zonas de viento. Por ejemplo, según la Alianza de Industrias Electrónicas (EIA), la mayor parte de los Estados Unidos se encuentra en la zona A, con vientos de 139 km/h (86,6 mph), pero las áreas costeras pueden encontrarse en la zona B (160,9 km/h o 100 mph) o C (179,9 km/h o 11,8 mph).
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Determina el coeficiente de arrastre para el objeto en cuestión. El arrastre es la fuerza neta en la dirección del flujo debido a la presión sobre la superficie de un objeto.^{[8]XFuente de investigación} El coeficiente de arrastre representa el arrastre de un objeto a través de un fluido y depende de la forma, el tamaño y la rugosidad que tenga.
- El coeficiente de arrastre estándar para un cilindro largo es de 1,2 mientras que para uno corto es de 8. Esto se aplica a las antenas que se encuentran en muchos edificios.
- El coeficiente estándar para una placa plana como la que se encuentra en la fachada de un edificio es de 2,0 en el caso de que sea larga o de 1,4 en el caso de una más corta.
- La diferencia entre los coeficientes de arrastre para los objetos planos y cilíndricos es aproximadamente de 0,6.
- El coeficiente de arrastre no tiene unidades.
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Calcula el coeficiente de exposición Kz. El Kz se calcula por medio de la fórmula [z/33]^(2/7), donde z es la altura a partir del suelo hasta el punto medio del objeto.
- Por ejemplo, si tienes una antena que mide 0,9 m (3 pies) y se encuentra a 14,4 m (48 pies) del suelo, z sería igual a 13,95 m (46,5 pies).
- Kz = [z/33]^(2/7) = [13,95/33]^(2/7) = 0,29 m (1,1 pies).
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Calcula el factor de respuesta de ráfaga Gh. El factor de respuesta de ráfaga se calcula con la ecuación Gh = 0,65+0,60/[(h/33)^(1/7)] donde h es la altura del objeto.
- Por ejemplo, si tienes una antena que mide 0,9 m (3 pies) de largo y se encuentra a 14,4 m (48 pies) del suelo, Gh = 0,65+0,60/[(h/33)^(1/7)] = 0,65+0,60/(51/33)^(1/7) = 1,32 m (1,22 pies)^-1
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Calcula la carga del viento. Con los valores determinados previamente, ahora podrás calcular la carga el viento con la ecuación F = A x P x Cd x Kz x Gh. Reemplaza todas las variables y realiza el cálculo.
- Por ejemplo, supongamos que quieres determinar la carga del viento en una antena que mide 0,9 m (3 pies) con un diámetro de 1,27 cm (0,5 pulgadas) con ráfagas de viento de 112 km7h (70 mph). Esta se ubica a 14, 6 m (48 pies) de altura.
- Comienza calculando el área proyectada. En este caso, A = l x w = 0,9 m (3 pies) x (1,25 cm x (1 m/100 cm)) = 0,01125 m (0,125 pies)².
- Calcula la presión del viento: P = 0,00256 x V² = 0,00256 x 112² = 32,11 kg/m².
- En un cilindro corto, el coeficiente de arrastre es 0,8.
- Calcula el coeficiente de exposición: Kz = [z/33]^(2/7) = [13,95/33]^(2/7) = 0,29 m.
- Calcula el factor de respuesta de ráfaga: Gh = 0,65+0,60/[(h/33)^(1/7)] = .65+.60/(3/33)^(1/7) = 1.22 ft^-1
- Reemplaza las variables en la ecuación: F = A x P x Cd x Kz x Gh = 0,001125 x 32,11 x 0,8 x 0,29 x 1,32 = 0,011 kg (1,68 libras)
- La carga de viento que golpea sobre la antena es de 0,011 kg (1,68 libras).
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Método 3

Método 3 de 3:

Calcular la carga del viento por medio de la fórmula del Código de Construcción Uniforme (UBC) de 1997

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Define la fórmula del UBC de 1997. Esta fórmula se desarrolló en 1997 como parte del Código de Construcción Uniforme (UBC, por su sigla en inglés) con la finalidad de calcular la carga del viento. La fórmula es F = A x P, donde A es el área proyectada y P es la presión del viento. No obstante, esta fórmula tiene un cálculo alterno para la presión del viento.
- La presión del viento se calcula como P= Ce x Cq x Qs x Iw, donde Ce es la altura, exposición y factor de respuesta de ráfaga combinados, Cq es un coeficiente de presión (es equivalente al coeficiente de arrastre en las dos ecuaciones anteriores), Qs es la presión de estancamiento del viento y Iw es el factor de importancia. Todos estos valores pueden calcularse u obtenerse con la ayuda de las tablas adecuadas.
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Determina el área proyectada. El área proyectada del objeto dependerá de su forma y tamaño. Si el viento golpea una pared plana, el área proyectada será mucho más sencilla de calcular en comparación a si el objeto fuera redondo. El área proyectada será una aproximación del área que entra en contacto con el viento. No existe una fórmula para calcular el área proyectada, pero puedes hacerlo con algunos cálculos básicos. Las unidades que representan el área son m².
- En el caso de una pared plana, utiliza la fórmula: “Área = largo x ancho” midiendo el largo y ancho de la pared donde golpea el viento.
- En el caso de un tubo o una columna, también puedes calcular el área utilizando el largo y el ancho. En este caso, el ancho será el diámetro del tubo o columna.
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Determina el valor de Ce, la combinación de la altura, exposición y factor de respuesta de ráfaga. Este valor se elige con base en la tabla 16-G del UBC y toma en cuenta tres valores de exposición del terreno con varias alturas para cada valor de Ce.^{[9]XFuente de investigación}
- “La exposición B es el terreno con edificios, árboles u otras irregularidades en la superficie que cubren por lo menos un 20% del área circundante y se extiende 1,6 km o más desde el sitio”.^{[10]XFuente de investigación}
- “La exposición C tiene un terreno que es plano y generalmente abierto, y que se extiende 0,8 km o más desde el sitio”.^{[11]XFuente de investigación}
- “La exposición D es la más grave, con vientos básicos cuyas velocidades son de 129 km/h a más, sobre un terreno plano y sin obstáculos ubicado frente a masas grandes de agua”.^{[12]XFuente de investigación}
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Determina el coeficiente de presión para el objeto en cuestión. El coeficiente de presión Cq es el mismo que el coeficiente de arrastre (Cd). El arrastre es la fuerza neta en la dirección de flujo debido a la presión ejercida en la superficie de un objeto.^{[13]XFuente de investigación} El coeficiente de arrastre representa el arrastre de un objeto a través de un fluido y depende de la forma, el tamaño y la rugosidad del objeto.
- El coeficiente de arrastre estándar para un tubo cilíndrico largo es 1,2 mientras que para uno corto es 0,8. Esto se aplica a las antenas que se ubican en muchos edificios.
- El coeficiente estándar para una placa plana como la que se encuentra en la fachada de un edificio es de 2,0 en el caso de que sea larga o de 1,4 en el caso de una más corta.
- La diferencia entre los coeficientes de arrastre para los objetos planos y cilíndricos es aproximadamente de 0,6.
- El coeficiente de arrastre no tiene unidades.
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Determina la presión de estancamiento del viento. Qs es la presión de estancamiento del viento y equivale al cálculo de la presión del viento en las ecuaciones anteriores: Qs = 0,00256 x V², donde V es la velocidad del viento en kilómetros por hora (km/h).
- Por ejemplo, si la velocidad del viento es de 112 km/h (70 mph), la presión de estancamiento será de 0,00256 x 112² = 32,11 kg/m².
- Una alternativa al cálculo de la presión del viento en una velocidad particular consiste en emplear la norma para las diferentes zonas de viento. Por ejemplo, según la Alianza de Industrias Electrónicas (EIA), la mayor parte de los Estados Unidos se encuentra en la zona A, con vientos de 139 km/h (86,6 mph), pero las áreas costeras pueden encontrarse en la zona B (160,9 km/h o 100 mph) o C (179,9 km/h o 11,8 mph).
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Determina el factor de importancia. Iw es el factor de importancia y puede determinarse con el uso de la tabla 16-k del UBC. Es un multiplicador utilizado en el cálculo de las cargas que toma en cuenta el uso del edificio. Si un edificio contiene materiales peligrosos, su factor de importancia será mayor que el de un edificio tradicional.
- Los cálculos para los edificios con un uso estándar tienen un factor de importancia de uno.
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Calcula la carga del viento. Utiliza los valores determinados previamente para calcular la carga del viento por medio de la ecuación F = A x P = A x Ce x Cq x Qs x Iw . Reemplaza todas las variables y realiza el cálculo.
- Por ejemplo, supongamos que quieres determinar la carga del viento en una antena que mide 0,9 m (3 pies) de largo con un diámetro de 1,25 cm (0,5 pulgadas) y donde el viento sopla a 112 km/h (70 mph). Esta se encuentra en la parte superior de un edificio estándar ubicado a 14,4 m (48 pies) de altura en un área con un terreno de exposición B.
- Comienza calculando el área proyectada. En este caso, A = l x w = 0,9 m x (1,25 cm x (1 m/100 cm)) = 0,01125 m (0,125 pies)².
- Determina Ce. Con base en la tabla 16-G, utiliza la altura de 14,4 m (48 pies) y el terreno de exposición B para calcular el valor de Ce, el cual es 0,84.
- En un cilindro corto, el coeficiente de arrastre o Cq es 0,8.
- Calcula Qs: Qs = 0,00256 x V² = 0,00256 x 112² = 32,11 kg/m ².
- Determina el factor de importancia. En un edificio estándar Iw es 1.
- Reemplaza las variables en la ecuación: F = A x P = A x Ce x Cq x Qs x Iw = 0,01125 x 0,84 x 0,8 x 32,11 x 1= 0,24 kg (1,05 libras).
- La cantidad de viento que golpea sobre la antena es de 0,24 kg (1,05 libras).
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Consejos

Ten en cuenta que la velocidad del viento varía en diferentes distancias desde el suelo. La velocidad del viento aumenta con la altura estructural y es más impredecible conforme se encuentre más cerca del suelo debido a que se ve afectada al interactuar con las cosas que se encuentran en el suelo.
Ten en cuenta que esta imprevisibilidad puede dificultar la exactitud de los cálculos.

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