El diseño eólico basado en el rendimiento podría mejorar los edificios, dicen los ingenieros

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#Obras y edificaciones

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Los ingenieros estructurales están recibiendo ayuda para mejorar la eficiencia, la fiabilidad y la resistencia de los edificios a través de un diseño eólico basado en el rendimiento. Y aunque podría pasar una década o más antes de que el PBWD se convierta en la corriente principal para los profesionales, los autores de los dos primeros documentos de PBWD, ambos que se estrenan este año, los están elogiando como hitos.

"PBWD ofrece la oportunidad de diseñar sistemas estructurales únicos para edificios con formas atípicas o características aerodinámicas que no se ajustan a las limitaciones de los sistemas de resistencia a la fuerza del viento basados en códigos prescriptivos", dijo Donald R. Scott, director principal de PCS Structural Solutions, en el Congreso Structures 2019. La conferencia, organizada por el Instituto de Ingeniería Estructural (SEI) de la Sociedad Americana de Ingenieros Civiles (ASCE) y celebrada del 24 al 27 de abril en Orlando, atrajo a 1.058 participantes.

Scott es el investigador principal que dirige el equipo de 14 expertos estructurales que escriben el Prestandard for Performance-Based Wind Design, el primer documento producido para ayudar en PBWD. Cinco revisores están revisando el borrador final. El documento de ASCE/SEI, suscrito con una subvención de $150,000 de la Fundación Charles Pankow, estará disponible en los sitios web de la Fundación Pankow y de ASCE/SEI para su descarga gratuita a finales de julio.

Siguiendo rápidamente los pasos de la norma, el comité de trabajo de ASCE/SEI sobre diseño y rendimiento de edificios altos para el viento está escribiendo su propio documento de consenso. También es el primero de su tipo, Diseño y Rendimiento de Edificios Altos para la Energía Eólica, escrito por ocho expertos, que reúne las mejores prácticas para el diseño de rascacielos con el fin de alcanzar los objetivos de rendimiento especificados en función de las demandas del viento. Representa un consenso entre las empresas de diseño, los ingenieros eólicos y el mundo académico.

Momentum está construyendo para todo tipo de diseño basado en el rendimiento, que es un sofisticado enfoque de ingeniería que se basa en métodos avanzados de análisis y diseño que permiten a los ingenieros predecir de forma fiable el comportamiento de una estructura cuando está sometida a cualquier carga definida, ya sea viento, sísmica o fuego.

La única manera de obtener la aprobación de un PBWD es a través de la provisión de medios y métodos alternativos del código. Pocos quieren hacer esto porque los funcionarios de la construcción, que no están familiarizados con PBWD, son reacios a aprobar los diseños. Además, un PBWD requerirá una revisión por pares. Esto se traduce en un proceso de aprobaciones más largo y potencialmente más turbio, lo que hace que muchos propietarios de edificios se detengan.

PBD en cualquier forma "requiere experiencia o conocimiento especializado", dijo Ronald O. Hamburger, director senior de Simpson Gumpertz & Heger y padre del enfoque de diseño sísmico basado en el rendimiento (PBSD) de 20 años de antigüedad para la rehabilitación de edificios. "No es para todos", añadió.

Los ingenieros están de acuerdo en que para que el PBWD prolifere, hay mucho trabajo por hacer para educar no sólo a los ingenieros, sino también a los arquitectos, desarrolladores, otras partes interesadas y, especialmente, a los funcionarios de códigos en cuanto a las ventajas y riesgos potenciales asociados con el enfoque. Las directrices tienen por objeto ayudar a establecer medios prudentes de práctica y proporcionar alguna protección, en términos de responsabilidad legal, para el desempeño previsto, dijeron los involucrados.

Los beneficios de la PBWD serán muy claros para muchos profesionales y propietarios, pero es posible que haya que convencer a otros, corearon los autores de ambos documentos. Para empezar, hay que enseñar a los propietarios y diseñadores que el rendimiento de los diseños producidos siguiendo los requisitos prescriptivos del código de construcción puede no ser suficiente, dijo Scott

"Muchas partes interesadas en el proyecto creen que si su edificio se diseña utilizando las disposiciones del código de construcción, sobrevivirá a todos los eventos de viento y permanecerá operativo; sin embargo, el código de construcción sólo se basa en los requisitos de seguridad para la vida", agregó.

Educar a las partes interesadas sobre los beneficios de pagar un poco más por adelantado para que los edificios logren un rendimiento deseado y mejor en eventos eólicos, como la operación continua para evitar pérdidas comerciales después de tormentas de viento y huracanes, es similar a los obstáculos a los que se enfrentan quienes introdujeron el diseño sísmico basado en el rendimiento, que ahora es una práctica de diseño dominante en todo el mundo, dijo Scott.

Los documentos introducen el uso del análisis dinámico no lineal para el diseño del viento, la limitada no linealidad de los principales elementos del sistema resistente a la fuerza del viento, los criterios de rendimiento basados en el sistema y las mejoras sustanciales de los requisitos de rendimiento en la envolvente del edificio.

Específicamente, la norma presentará una alternativa recomendada a los procedimientos prescriptivos contenidos en la norma adoptada a nivel nacional, Cargas Mínimas de Diseño y Criterios Asociados para Edificios y Otras Estructuras (ASCE/SEI 7), y el Código Internacional de Construcción. La audiencia a la que va dirigido el Prestandard incluye ingenieros estructurales, arquitectos, prescriptores/diseñadores de componentes y revestimientos de edificios, y funcionarios de la construcción que se dedican al diseño eólico y a la revisión de edificios.

Si se implementa correctamente, el documento dará como resultado edificios capaces de alcanzar de manera confiable los objetivos de rendimiento eólico especificados por ASCE/SEI 7 y, en muchos casos, un rendimiento superior, dijeron los autores. "Los usuarios individuales que poseen un conocimiento de la ingeniería eólica pueden adaptar y modificar las disposiciones de la norma para que sirvan de base a los diseños destinados a lograr objetivos de rendimiento eólico más elevados que los previstos específicamente", dice el borrador final.

Scott dijo que PBWD también proporciona la oportunidad a los diseñadores de la envoltura del edificio para mejorar el revestimiento y otros diseños del sistema de envoltura del edificio para limitar significativamente el daño causado por la lluvia impulsada por el viento y la infiltración de agua. Pero el uso de PBWD para los sistemas de envolventes de edificios requerirá que los fabricantes de envolventes de edificios mejoren el rendimiento de sus productos para cumplir con los criterios especificados, dijo Scott.

Un beneficio adicional, el PBWD permite la resolución de conflictos que pueden ocurrir en el diseño de edificios que están sujetos a múltiples peligros. Por ejemplo, se puede crear un conflicto cuando se utilizan tanto disposiciones PBSD como disposiciones de viento prescriptivas basadas en códigos para el diseño de edificios altos, dijo Scott.

Los efectos sísmicos controlarán el diseño de los niveles inferiores del edificio, mientras que los efectos del viento controlarán los niveles superiores. Debido a que las provisiones de viento requieren que todos los elementos de la estructura permanezcan elásticos bajo cargas de viento -y vuelvan a su condición precargada-, los beneficios de las provisiones de PBSD que permiten que los elementos seleccionados, en raras ocasiones, se vuelvan inelásticos- y no se recuperen al 100%- pueden no ser logrados. Ese conflicto disminuye el rendimiento sísmico general del edificio.

Hay varios aspectos de PBWD que necesitan ser desarrollados más a fondo y probados en los diseños de los edificios antes de convertirse en disposiciones estándar de ASCE 7, según Jennifer Goupil, gerente senior de ingeniería de ASCE/SEI. El comité de tareas PBD del subcomité de carga de viento ASCE 7-22 está trabajando para desarrollar aspectos de este tipo de diseños.

El comité está estudiando 16 edificios para determinar la aplicabilidad de las disposiciones de la norma previa y para desarrollar un sistema de fiabilidad objetivo general para los edificios diseñados con PBWD. Uno de los edificios es la Torre Cuadrada Rainier de 850 pies de altura, diseñada por MKA y en construcción en Seattle.

Mientras tanto, al igual que las Directrices de la LCT del PEER para el Diseño Sísmico Basado en el Rendimiento de Edificios Altos se utilizan actualmente y son aceptadas por muchos funcionarios de la construcción, el objetivo de los formadores del estándar es que el enfoque PBWD se discuta de manera similar con los propietarios y los funcionarios de la construcción, explicó Goupil.

Los avanzados métodos analíticos y de diseño requeridos para implementar PBWD desafiarán a los ingenieros a crecer en capacidad técnica, corearon los autores. Los consultores de viento se enfrentarán a un reto especial con una carga de trabajo ampliada, ya que PBWD requiere pruebas en túneles de viento y la aportación de un ingeniero de viento para historias de carga similares a las de los sismólogos que proporcionan registros de movimiento del terreno específicos de un emplazamiento para PBSD.