4 marzo, 2024 9:35 am

Actualización de la NTC para Diseño por Viento

El principal objetivo de este artículo es presentar los principales cambios realizados en la NTC-Viento para la Ciudad de México, con particular énfasis en los temas de velocidad máxima, empujes estáticos y dinámicos, así como en estados límite de servicio por efectos de viento. Los cambios sugeridos para la nueva versión de la NTC-Viento para la Ciudad de México están orientados a una mejor comprensión del fenómeno del viento en estructuras mediante el uso de metodologías prácticas.

Adrián Pozos Estrada Investigador, Instituto de Ingeniería (II), UNAM.

Alberto López López Consultor.

Luis Esteva Maraboto Investigador, II UNAM.

Isaac F. Lima Castillo Profesor en la Facultad de Ingeniería, UNAM.

Jorge Sánchez Sesma Consultor.

Daniel Manzanares Ponce Director general de Aluvisa/ANIVIP.

En los últimos años, la Ciudad de México, que cubre un área aproximada de 1,500 km2, ha experimentado un aumento en la construcción de edificaciones, lo que hace necesario mejorar la normativa de viento actual para brindar estructuras seguras bajo cargas de viento. La actual Norma de Diseño por Viento (NTC-Viento) para la Ciudad de México se ha actualizado para incluir métodos de análisis de última generación, así como avances recientes en ingeniería de viento en México y el extranjero.

Como cualquier otro código o norma, los códigos y normas de diseño eólico son documentos legales que tienen el objetivo de proteger a la sociedad contra fallas o mal funcionamiento de estructuras sensibles al viento. En México, el Manual de Obras Civiles para Diseño por Viento de la Comisión Federal de Electricidad (CFE, 2020), que es ampliamente utilizado para el diseño por viento, fue actualizado recientemente para incluir métodos de análisis de última generación, así como avances recientes en ingeniería de viento en México y el extranjero. En escala local, la Ciudad de México cuenta con su propia norma de diseño por viento (NTC-Viento). La actual versión (2017) incluye lineamientos generales para su uso y aplicación, caracterización del peligro eólico en términos de velocidad regional del viento, así como procedimientos para calcular los empujes estáticos y dinámicos de los efectos del viento sobre estructuras. La NTC-Viento ha sido actualizada con cierta regularidad. En la figura 1 se ofrece una representación esquemática de la evolución del Reglamento de Construcciones para la Ciudad de México y la NTC-Viento a lo largo de los años, incluyendo todas las actualizaciones.

En esa figura se observa que la actual NTC-Viento (2017) ha sido actualizada dos veces desde la versión de 1987. La periodicidad de las actualizaciones es de 15 años, aproximadamente. Para la nueva versión de la NTC-Viento, que se publicará a finales de 2023, el periodo de actualización se redujo a seis años, pues, de acuerdo con la nueva normativa de la Ciudad de México para la actualización de códigos y normas, la periodicidad de las actualizaciones se fijó en seis años.

El objetivo principal de este artículo es presentar una visión general de la actualización de la NTC-Viento (2023). La descripción de los principales cambios se organiza en tres secciones: velocidades máximas, empujes estáticos y dinámicos, y estados límite de servicio por efectos de viento.

Velocidades máximas

La velocidad del viento regional (velocidad del viento básica) se utiliza en el cálculo de la velocidad del viento de diseño. La actual NTC-Viento (2017), que solo es aplicable a la Ciudad de México, incluye una tabla con valores de velocidad del viento regional con ráfagas de 3 segundos a 10 m de altura para terreno abierto y para tres periodos de retorno diferentes (es decir, 10, 50 y 200 años). La nueva versión NTC-Viento (2023) incluye mapas de contorno (véase figura 2) de velocidad regional del viento, a 10 m de altura para terreno abierto para los mismos valores del periodo de retorno que la versión 2017. Esta es la primera vez que se desarrollan mapas de contorno para presentar la velocidad regional para la Ciudad de México. Para el desarrollo de los mapas de contorno se empleó información de 23 estaciones meteorológicas, 15 de la red de estaciones PEMBU (Programa de Estaciones Meteorológicas del Bachillerato Universitario) de la UNAM y ocho del Servicio Meteorológico Nacional. Las velocidades de viento registradas en las estaciones mencionadas incluyen los efectos de topografía y de exposición (i.e., tipo de rugosidad) asociados con las condiciones propias del sitio de instalación de la estación, por lo que, para poder ser incluidas en la norma, las velocidades deben ser corregidas para homogenizarlas y mapearlas a un terreno categoría 2 (terreno plano u ondulado con pocas obstrucciones) y a 10 metros de altura. La metodología utilizada para las correcciones estuvo guiada por ESDU (Engineering Sciences Data Unit, 2002) y criterios ingenieriles. Los nuevos mapas de contorno se complementan con el nuevo Apéndice A, que incluye velocidades regionales a nivel colonia para las 16 demarcaciones territoriales de la Ciudad de México.

Empujes estáticos

Es común caracterizar los efectos del viento sobre las construcciones por medio de empujes estáticos y dinámicos. Para el caso de empujes estáticos, estos pueden calcularse por medio de presiones estáticas que dependen de los coeficientes de presión. Los coeficientes de presión, a su vez, son dependientes de la geometría de las construcciones o sus elementos, por lo que cada vez que se requiere calcular una presión es necesario recurrir a las tablas o expresiones para su determinación. En la nueva versión de la NTC-Viento (2023) se incluyeron valores de coeficientes de presión para configuraciones geométricas de construcciones que no se incluyen en la versión 2017, con la finalidad de que el ingeniero de la práctica cuente con más elementos técnicos para calcular los efectos estáticos del viento sobre las construcciones. 

Presión del viento para recubrimientos

Los coeficientes de presión empleados en la actual NTC-V (2017) para evaluar las presiones del viento sobre los elementos de recubrimiento no son completamente consistentes con los coeficientes de presión propuestos en los principales códigos internacionales. En la versión NTC-Viento de 2023 se homologaron los coeficientes de presión con las tendencias observadas en pruebas de túnel de viento y códigos internacionales. La homologación consistió en actualizar la forma funcional de las expresiones para determinar los coeficientes de presión, sin modificar los límites superior e inferior de la magnitud de los coeficientes. Esto último se decidió con base en criterios ingenieriles. También se incluyó una nueva metodología para calcular el espesor y la deflexión de paneles de vidrio recocido para edificios de baja altura.

Presión estática del viento para estructuras

La actual NTC-V (2017) incluye procedimientos para evaluar los efectos de la presión del viento estático para algunas formas básicas. Debido al rápido crecimiento de la infraestructura en la Ciudad de México, se han construido varios tipos de estructuras y se han evaluado los efectos del viento con criterio de ingeniería debido a la falta de información técnica. La versión NTC-Viento 2023 incluye otro tipo de estructuras construidas frecuentemente en la Ciudad de México. Las estructuras sensibles a los efectos estáticos del viento incluyen: edificios y construcciones cerradas, techo de arco circular, techos en voladizo sobre soportes, techos aislados, paneles solares en techos de edificios, muros aislados, anuncios aislados, banderas, chimeneas y elementos de soporte, silos y tanques cilíndricos, torres de celosía aisladas y torres de telecomunicaciones y accesorios, perfiles estructurales y puentes peatonales.

Al igual que otros códigos y estándares internacionales de diseño por viento, la NTC-Viento 2023 incluye metodologías para calcular la presión estática del viento y las fuerzas con pautas detalladas sobre la forma en que se deben aplicar dichas presiones. Es importante mencionar que la NTC-Viento 2023 incluye puentes peatonales; la razón de incluir este tipo de estructura es que actualmente la Ciudad de México no cuenta con una norma de diseño de puentes que incluya los efectos por viento.

Empujes dinámicos del viento sobre las estructuras

Debido a las características del viento turbulento, este puede inducir una respuesta dinámica en estructuras susceptibles a estos efectos (esto es, estructuras con periodo de vibrar mayor que un segundo o estructuras esbeltas). La forma en que la norma incluye los efectos dinámicos inducidos por el viento es mediante fuerzas estáticas equivalentes que dependen de las propiedades dinámicas de la estructura (frecuencia o periodo y porcentaje de amortiguamiento) y propiedades que caracterizan la turbulencia del flujo de viento (por ejemplo, índice de turbulencia). En la bibliografía de la especialidad de viento se han propuesto diversas metodologías para calcular la respuesta dinámica de estructuras.

La metodología de Davenport (1964) para evaluar la respuesta inducida por el viento de una estructura o variaciones de esta ha sido adoptada en varios códigos internacionales de diseño por viento. En la Ciudad de México, las versiones de 1987, 1993 y 2004 de la NTC-Viento adoptaron el enfoque de Davenport para evaluar los efectos dinámicos del viento en las estructuras. La NTC-Viento 2017 fue actualizada para modificar la forma en que se evaluaban los efectos dinámicos del viento; para dicha versión, el método de análisis dinámico se basa en el trabajo de Solari (1982). El objetivo del cambio fue homologar la NTC-Viento 2017 y el Manual de Obras Civiles para Diseño por Viento de 2020, que es un documento frecuentemente utilizado en diferentes partes de México para el diseño por viento. Para la versión NTC-V 2023, los efectos dinámicos del viento mantuvieron el enfoque de Solari (1982). Además de la revisión de las metodologías para calcular los efectos dinámicos, también se incluyó un nuevo párrafo normativo que requiere que, para edificios prismáticos de geometría regular con cierta relación de aspecto, se evalúen las combinaciones de fuerzas inducidas por el viento (esto es, componentes horizontales y torsión). También se reformuló el procedimiento para el cálculo de la fuerza debida al viento para estructuras cilíndricas.

Estados límite de servicio por efectos de viento

La NTC-Viento 2023 incorpora el nuevo capítulo 8, que incluye estados límite de servicio por efectos de viento. En este capítulo se solicita la revisión de desplazamientos relativos entre niveles consecutivos de edificios, así como la revisión de desplazamientos laterales y aceleraciones máximas en edificios altos. Esta nueva versión de la norma incluye dos procedimientos para el cálculo de las aceleraciones máximas, los cuales ofrecen al diseñador alternativas para calcular y revisar los niveles de aceleración en edificios altos. Esta es la primera vez que la NTC-Viento incorpora procedimientos para el cálculo de la aceleración máxima. De manera particular, el procedimiento detallado para la verificación de los niveles de aceleración debida a empujes dinámicos fue calibrado para incluir las características del clima de viento de la Ciudad de México.

Se incluye también un nuevo apéndice normativo (Apéndice B) relacionado con dispositivos de amortiguamiento auxiliar para mitigar las acciones del viento. Este apéndice surgió de la necesidad de ofrecer a los diseñadores elementos técnicos generales que se deben considerar cuando se contemple la instalación de un dispositivo de amortiguamiento auxiliar para mitigar las acciones del viento en la estructura en estudio.

Comentarios finales

La nueva versión NTC-Viento 2023 introduce nuevas metodologías para evaluar la respuesta inducida por el viento para diferentes tipos de estructuras. Parte de la actualización incluyó la verificación y evaluación de la consistencia de toda la información con investigaciones recientes de ingeniería de viento de escala nacional e internacional. La actualización abarcó no solo metodologías y procedimientos, sino también nuevos mapas de contorno de velocidad regional, que son los primeros que se desarrollan para la Ciudad de México utilizando información de estaciones meteorológicas locales.

Participaron en la elaboración de este artículo Javier Cesín Farah, Luis E. Pérez Rocha, Omar A. Barón Pérez, Luis E. Pech Lugo y Esaú Villanueva Martínez.

Referencias

Comisión Federal de Electricidad, CFE (2020). Manual de Diseño de Obras Civiles. Capítulo Diseño por Viento.

Davenport, A. G. (1964). Note on the distribution of the largest value of a random function with application to gust loading. Proceedings of the Institution of Civil Engineers 6739(28): 187-196.

Engineering Sciences Data Unit (2002). Strong winds in the atmospheric boundary layer. Parte 1: Hourly-mean wind speeds.

González-Cuevas, O. M. (2022). Una revisita en su centenario a los Reglamentos de Construcción de la Ciudad de México. SMIE, UAM.

Normas Técnicas Complementarias-Viento (2017). Normas Técnicas Complementarias para Diseño por Viento. Reglamento de Construcciones para el Distrito Federal. Gaceta Oficial del Departamento del Distrito Federal.

Solari, G. (1982). Alongwind response estimation: Closed form solution. Journal of the Structural Division. Proceedings of the American Society of Civil Engineers 108 ST1: 225-244.

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