Una pregunta común que se hace en la industria de techos es si la versión de 2016 de ASCE 7 aumentará la presión eólica en un edificio. La respuesta es "sí" en muchos casos. Por lo que la siguiente pregunta es: ¿por cuánto? Y eso lleva a la siguiente pregunta: "¿cuánta más capacidad requerirán los sistemas de techado cuando el diseño eólico siga ASCE 7-16?"
Para este blog, se analizaron 2 edificios de distintos tamaños y alturas en dos ciudades de los EE. UU., uno ubicado en el centro y otro en la costa del Golfo, y se compararon las presiones de los vientos de diseño en función de las normas ASCE 7-10 y ASCE 7-16. Al evaluar la capacidad del sistema de techo requerida para todas las zonas de techos, junto con los aumentos en el tamaño de las zonas de los techos, podemos comenzar a plantearnos algunas cifras reales, "¿cuánto afectará la norma ASCE 7-16 la industria de techos de pendiente baja?"
Aunque el análisis de los dos tipos de edificios en las dos ciudades no representará un estudio significativo, servirá de ejemplo de cómo la versión 2016 de ASCE 7 afectará los sistemas de techos instalados en la próxima década.
Estudios de casos
Las presiones de viento de diseño (DWP) se determinan para dos tipos de edificios en dos ciudades. Las DWP se basan en diversas categorías de riesgo y de exposición. La siguiente tabla muestra los tipos de edificios, ciudades, variables y constantes.
La megatienda mide 290' de largo x 169' de ancho x 24' de alto y el edificio de apartamentos mide 100' de largo x 40' de ancho x 55' de alto. Las velocidades de los vientos se determinaron mediante una herramienta en línea.
Las DWP se pueden determinar con otros métodos patentados (p. ej., RoofNav), herramientas de cálculo simplificadas (p. ej., RoofWindDesigner) o mediante cálculos manuales en los que se contemplen los métodos de la norma ASCE 7.
Para este estudio de caso, se determinaron las DWP mediante cálculos manuales a través de una hoja de cálculo de Excel. Las DWP eran un poco más definidas, ya que no hubo redondeo en las velocidades de los vientos de acuerdo con ASCE 7-16. Tanto RoofNav como Roof Wind Designer redondean al 5 o 10 mph más cercano. Los mapas de ASCE 7-16 se revisaron, no solo desde una perspectiva de la velocidad de los vientos, sino desde la cantidad de isobaras de viento en los mapas. Los mapas de ASCE 7-16 están más perfeccionados, lo cual permite valores de velocidades de vientos más exactos.
Mapa ASCE 7-10, categoría de riesgo II, en el que se observa una cantidad limitada de isobaras de velocidades de vientos.
Mapa ASCE 7-16, categoría de riesgo II, en el que se observan muchas isobaras de velocidades de vientos adicionales en relación con el mapa de vientos ASCE 7-10 que se observa en la figura anterior.
En total, se calcularon 72 conjuntos de DWP diferentes. Los edificios con una altura por encima de los 60' están diseñados de la misma manera en ASCE 7-16 que en ASCE 7-10; por lo tanto, este artículo se centra en edificios con una altura por debajo de los 60'.
Resultados de la presión de los vientos de diseño
Los siguientes cuadros indican las DWP para cada uno de los casos que se analizaron para este artículo.
Las presiones de viento de diseño en función de ASCE 7-10 y ASCE 7-16 para una megatienda en Kansas City, MO con una altura de 24'.
Las presiones de viento de diseño en función de ASCE 7-10 y ASCE 7-16 para una megatienda en Mobile, AL con una altura de 24'.
Las presiones de viento de diseño en función de ASCE 7-10 y ASCE 7-16 para un edificio de apartamentos de 5 pisos en Kansas City, MO con una altura de 55'.
Las presiones de viento de diseño en función de ASCE 7-10 y ASCE 7-16 para un edificio de apartamentos de 5 pisos en Mobile, AL con una altura de 55'.
Comparación de las versiones 2010 y 2016
El objetivo principal de este artículo es comenzar a generar datos para responder la pregunta "¿cuánto aumentaron las DWP desde la versión 2010 hasta la versión 2016 de ASCE 7?" Mediante las DWP calculadas para cada zona de techos de cada uno de los cuatro casos, calculamos el aumento del porcentaje de las DWP por zona. Los aumentos de porcentaje en DWP se calcularon cuando se dividió el valor de ASCE 7-16 por el valor de ASCE 7-10 correspondiente para cada zona de techos. No obstante, debido a que existen 4 zonas de techos en ASCE 7-16 (y 3 zonas de techos en ASCE 7-10), ambas zonas de techos de 1' y 1 se dividieron por el valor de la zona de techos 1 de ASCE 7-10 para determinar el aumento del porcentaje. Los valores de los siguientes cuadros que están por debajo de los 100 % (en sombreado gris) indican una reducción en las DWP desde ASCE 7-10 hasta 7-16.
Aumentos de porcentaje en las DWP por zona de techos para una megatienda en Kansas City, MO con una altura de 24' que se centra en los valores de la Exposición C.
Aumentos de porcentaje en las DWP por zona de techos para una megatienda en Mobile, AL con una altura de 24' que se centra en los valores de la Exposición C.
Aumentos de porcentaje en las DWP por zona de techos para un edificio de apartamentos de 5 pisos en Kansas City, MO con una altura de 55' que se centra en los valores de la Exposición C.
Aumentos de porcentaje en las DWP por zona de techos para un edificio de apartamentos de 5 pisos en Mobile, AL con una altura de 55' que se centra en los valores de la Exposición C.
Para los casos de megatiendas, el aumento del porcentaje de DWP por zona de techo varía de 84 % a 178 %. Las reducciones en los porcentajes (valores inferiores al 100 %) están todas en la zona de techos de 1', mientras que las zonas de techos 1, 2 y 3 aumentaron en DWP. Como se observó en las figuras, los aumentos en los porcentajes de la zona de techos 1 son mayores, mientras que los aumentos en la zona de techos 3 son menores.
Para los casos de edificios de apartamentos de 5 pisos, los aumentos en porcentajes de DWP por zona de techos varía de 84 % a 177 %. Los aumentos de porcentaje en la zona de techos 1 son los mayores. Las reducciones de porcentajes son todas en la zona de techos de 1'.
Cabe destacar que, los aumentos en los coeficientes de presión de ASCE 7-10 a 7-16, de hecho, indican relativamente aumentos en las DWP. Si te interesa conocer más sobre los coeficientes de presión y el proceso de diseño de vientos.
Los estudios de casos de este blog, que también se observan en la versión 2016 de ASCE 7, imponen mayores DWP en las zonas de techos 1, 2 y 3. No obstante, debido a algunas reducciones sustanciales en la zona de techos de 1', se podría prever que la capacidad del sistema de techos instalado puede ser menor. Aunque puede resultar esperanzador, la industria de techos tiene un límite de capacidad mínimo de 60 psf. Esto significa que, para cualquier DWP calculada a 60.0 psf o menos (incluso para los valores de DWP de apenas 23 psf) se deberá realizar una instalación de techo con una capacidad de 60 psf para cumplir con las exigencias del código de edificación. La realidad es que se exige que en muchos edificios se utilice un sistema de techo con una capacidad de 60 psf cuando en realidad '60 psf' es mayor a la capacidad de la necesaria en función de las DWP calculadas.
Analicemos con mayor profundidad uno de los subgrupos de cada uno de los 4 casos.
Ejemplo 1: megatienda; EE. UU. central
La megatienda de KC, MO (categoría de riesgo II, exposición C) experimentó un aumento de DWP de 38 psf a 56 psf en la zona de techo 1 según ASCE 7-10 en comparación con ASCE 7-16, y una reducción de 32 psf en la zona de techos de 1'. Más allá de los aumentos y disminuciones, se debería instalar un techo con una capacidad de 60 psf tanto en la zona de techos 1 como en la zona de techos 1' de acuerdo con 7-16, que no se modifica con respecto a ASCE 7-10.
Zonas de techos y presiones para una megatienda con una altura de 24' en Kansas City, MO según ASCE 7-10 con la categoría de riesgo II y la exposición C.
Zonas de techos y presiones para una megatienda con una altura de 24' en Kansas City, MO según ASCE 7-16 con la categoría de riesgo II y la exposición C.
Para las zonas de techos 2 y 3, las DWP no solo aumentan, sino que los tamaños de las zonas de los techos que requieren una mayor capacidad también aumentan. Para la zona de techos 2 según ASCE 7-10, se necesitó un techo con una capacidad de 75 psf y una capacidad de 75 psf se necesitará de acuerdo con ASCE 7-16. No obstante, aproximadamente el 9 % del área del techo deberá tener una mayor capacidad debido al aumento del tamaño de la zona del techo. El siguiente cuadro indica los porcentajes del área del techo según la capacidad del sistema de techos necesario para este caso.
Cuadro en el que se observa la capacidad del techo y el área del techo (%) donde se requiere cada uno.
Ejemplo 2: megatienda; costa del Golfo
La megatienda de Mobile, AL (categoría de riesgo II, exposición C) experimentó un aumento de DWP de 69 psf a 109 psf en la zona de techos 1 según ASCE 7-10 en comparación con ASCE 7-16, y una reducción de 63 psf en la zona de techos de 1'. Un techo con una capacidad de 75 se debería instalar en la zona de techos de 1' y techos con mayor capacidad se necesitarán en las zonas de techos 1, 2 y 3 en relación con ASCE 7-10.
Zonas de techos y presiones para una megatienda con una altura de 24' en Mobile, AL según ASCE 7-10 con la categoría de riesgo II y la exposición C.
Zonas de techos y presiones para una megatienda con una altura de 24' en Mobile, AL según ASCE 7-16 con la categoría de riesgo II y la exposición C.
Para las zonas de techos 1, 2 y 3, las DWP no solo aumentaron, sino que el tamaño de las zonas de techos que requerían una mayor capacidad también aumentaron. Se creó una zona de techos con mayor perímetro (que combinó las zonas de techos 1 y 2) con mayor capacidad necesaria (en relación con 7-10). Aproximadamente, más del 30 % del área del techo deberá tener una mayor capacidad. El siguiente cuadro indica los porcentajes del área del techo según la capacidad del sistema de techos necesario para este caso.
Cuadro en el que se observa la capacidad del techo y el área del techo (%) donde se requiere cada uno.
Ejemplo 3: 5 pisos; EE. UU. central
El edificio de apartamentos de 5 pisos de KC, MO (categoría de riesgo II, exposición C) experimentó un aumento de DWP de 45 psf a 66 psf en la zona de techos 1 según ASCE 7-10 en comparación con ASCE 7-16, y una reducción de 38 psf en la zona de techo de 1'.
Sin embargo, debido a que el método que se usó para determinar los tamaños de las zonas de techos de ASCE 7-16 cambió, ¡las zonas de techos 1' y 1 no existen en este edificio! Las disminuciones de DWP en la zona de techos 1' se consideran insignificantes y la falta de zonas de techos 1' y 1 significa que todo el techo consta solo de las zonas de techos 2 y 3, el perímetro y la zona de techos de la esquina.
Zonas de techos y presiones para un edificio de apartamentos con una altura de 55' en Kansas City, MO según ASCE 7-16 (arriba) y ASCE 7-10 (abajo) con la categoría de riesgo II y la exposición C.
Los aumentos de DWP para las zonas de techos elevan de manera notoria los requisitos de la capacidad del sistema de techos en este caso. Casi toda el área del techo deberá tener una mayor capacidad. El siguiente cuadro indica los porcentajes del área del techo según la capacidad del sistema de techos necesario para este caso.
Cuadro en el que se observa la capacidad del techo y el área del techo (%) donde se requiere cada uno.
Ejemplo 4: 5 pisos; costa del Golfo
El edificio de apartamentos de 5 pisos de Mobile, AL (categoría de riesgo II, exposición C) experimentó un aumento de DWP de 81 psf a 129 psf en la zona de techos 1 según ASCE 7-10 en comparación con ASCE 7-16, y una reducción de 74 psf en la zona de techos de 1'. De manera similar al ejemplo 3, debido a las zonas de techos relativas al tamaño del techo, las zonas de techos 1' y 1 no existen en este caso.
Zonas de techos y presiones para un edificio de apartamentos con una altura de 55' en Mobile, AL según ASCE 7-16 (arriba) y ASCE 7-10 (abajo) con la categoría de riesgo II y la exposición C.
El aumento de DWP para las zonas de techos aumentó de manera significativa los requisitos de la capacidad del sistema de techos en este caso. Toda el área del techo deberá tener una mayor capacidad. El siguiente cuadro indica los porcentajes del área del techo según la capacidad del sistema de techos necesario para este caso.
Rendimiento comparado con las prescriptivas
Los estudios de casos de este análisis se presentan con un método de rendimiento para el diseño de vientos. Es decir, una DWP específica se determina para cada zona de techos y un sistema de techo con la capacidad apropiada se elige para usar en la zona de techos asociada. Otro método que se suele usar en la industria de techos es un método prescriptivo para el diseño de vientos. Se utiliza la DWP para la zona de techos 1 (o la zona de techos de 1' en ciertas localidades) para elegir un sistema de techos con una capacidad adecuada para la zona de techos 1 (similar al método de rendimiento) y, luego, en las zonas de techos 2 y 3 se usa un método o diseño de instalación que aumenta en forma prescriptiva en relación con los métodos de instalación de la zona de techos 1. Los métodos de instalación prescriptivos para las zonas de techos 2 y 3 se usan con regularidad con sistemas de techos adheridos de forma mecánica (MA) y para los techos MA, los aumentos de la zona de techos 2 suelen ser del 50 % y los aumentos en las zonas de techos 3 suelen ser del 100 %.
Conclusión
Las DWP de ASCE 7-16, por lo general, aumentan con respecto a ASCE 7-10, pero este impacto se comprende mejor cuando se compara la capacidad del sistema de techo requerido para los distintos tipos y dimensiones de edificios en ciudades diferentes. Si solo se analizan las DWP, no sería suficiente información, se necesita una comparación de las capacidades requeridas para el sistema de techo. No solo cambiaron las DWP, sino la metodología para determinar el tamaño del perímetro y las zonas de techo con esquinas cambiaron de manera notable con la nueva versión de ASCE 7-16, la cantidad de área de techo que se encontraba en el perímetro y las zonas de techo con esquinas aumentaron. Los estudios de casos de dos edificios de menos de 60 pies de altura en las dos ciudades y el análisis correspondiente en este blog son uno de los pequeños pasos adicionales para comprender cómo ASCE 7-16 afectará el diseño de los vientos en la próxima década.
