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05 de enero de 2017 | por: Equipo Comunicación | 0 comentarios

Cálculo dinámico: vibraciones en edificios

Generalmente, las vibraciones que se producen sobre las plantas de un edificio son causadas por cargas dinámicas producidas por los propios ocupantes del mismo o por las máquinas que pudieran existir en este.

En alguno casos, las vibraciones han desempeñado un papel importante en el diseño del edificio, o incluso durante su construcción, como es el caso del edificio de la Isaac Newton Academy situado al este de Londres. 

Una serie de razones contribuyeron a utilizar estructuras de acero, como son la velocidad de la construcción, el número de tramos largos dentro de los edificios y la economía de los materiales de construcción.

Una parte particularmente desafiante del diseño fue la carga dinámica en el pabellón de deportes, que sobresale 54 metros a lo largo de un aparcamiento. Los ingenieros quisieron evitar el mayor numero de columnas para que no fueran un obstáculo en el espacio público, pero sin olvidar las vibraciones que se producirían en el edificio, al destinarse una parte de su uso a un pabellón de deportes situado justo encima de éste.

Después de colocar inicialmente las columnas en los bordes exteriores, el equipo de diseño decidió traer los primeros cuatro pilares hacia el interior una distancia de 2,35 m de cada lado para reducir su vano, y con ello evitar posibles problemas provocados por las cargas dinámicas del pabellón. Esto proporcionaría una mayor rigidez estructural preservando al mismo tiempo el efecto visual de ligereza.

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Pabellón del Isaac Newton Academy

No olvidemos que la vibración se considera como una de la aptitudes al servicio que debe satisfacer la estructura, principalmente relacionado con el confort de sus ocupantes,  o por los daños en equipos sensibles que pudieran existir.

Cuando se trata de este último caso, es fácil de determinar cuál será la aceleración permisible máxima, que irá asociada al equipo en cuestión que se pretenda proteger, pero cuando se trate de avaluar la incomodidad de los ocupantes no pueden cuantificarse directamente, ya que la percepción y la tolerancia entre los individuos varían y dependen de una serie de factores que son:

  • El tipo de actividad.
  • La hora del día cuando se esta se lleve a cabo.
  • El tipo de ambiente donde se desarrolle.
  • La dirección, amplitud y frecuencia de la vibración.
  • La fuente de la vibración.
  • El nivel de amortiguación.
  • La duración de la exposición.

La vibración que repercute sobre los individuos se expresa normalmente en términos de aceleración. Este valor se percibe de diferente manera según la dirección de la vibración, siendo la dirección vertical  (eje z) la más difícil de percibir, frente a la horizontal (eje x,y):

Los valores de base para la aceleración son los siguientes:

  • 5 × 10-3 ms-2 para las vibraciones del eje z.
  • 3,57 × 10-3 ms-2 para las vibraciones de los ejes X e Y.
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Influencia en la dirección de la vibración

 

La percepción de la vibración también depende de la frecuencia, siendo las frecuencias de entre 4 y 8 Hz las más fáciles de percibir entre los seres humanos.

¿Cómo se obtiene la frecuencia de vibración de una viga?

Cada viga, tiene una masa, una rigidez y unas condiciones de contorno en sus  apoyos que definirán su comportamiento, y cada sistema tiene su propia frecuencia fundamental de vibración, produciéndose el valor de su máxima amplitud en la mitad del tramo, en su primer modo de vibración.

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Modos principales de vibración

 

La frecuencia fundamental de una viga simplemente apoyada puede estimarse a partir de la deflexión producida en la mitad de su luz mediante la siguiente expresión.

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El suelo también se comporta como un sistemas estructural continuo, que en los edificios de acero, a menudo consisten en vigas primarias y secundarias dispuestas en un emparrillado ortogonal regular con una losa de suelo compuesta. La frecuencia natural de todo el sistema de suelo se puede estimar utilizando la ecuación dada anteriormente, donde δ es la suma de las desviaciones de los componentes de la losa, secundaria y vigas primarias. En la estimación de la frecuencia natural de un sistema de piso, las cargas reales deben ser considerados por lo general, las cargas permanentes y 10% de la sobrecarga sin ponderar.

Todos estos conceptos y muchos más se tratarán de abordar en el Máster de Cálculo de Estructuras de Obra Civil.  

Autor: Fernando del Castillo, profesor del Máster de Cálculo de Estructuras de Obra Civil

Máster de Cálculo de Estructuras de Obra Civil

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