Análisis y comparación de distribuciones probablilísticas de presiones de viento en una estructura residencial: medidas a escala real y en tunel de viento

Abstract

Al momento de considerar el efecto de las cargas de viento en estructuras de poca altura “low-rise buildings” según el estándar del “American Society of Civil Engineers: Minimum Design Loads for Buildings and Other Structures” ASCE 7, son aquellas cuya altura promedio ni la dimensión horizontal menor exceden 60 pies. En dicha categoría están cubiertas la mayoría de las estructuras residenciales y comerciales localizadas en zonas vulnerables a condiciones extremas de viento. El alcance del trabajo investigativo presentado en este reporte conlleva la descripción estadística de las series de tiempo de la presión del viento para estimar los valores picos, recopiladas el techo de una estructura residencial, tanto a escala real como en el túnel de viento. Esta investigación utilizó los datos recopilados por el “Florida Coastal Monioring Program” FCMP. Los datos provienen de dos fuentes, la primera es de datos de campo a escala real en una residencia designada como FL-27, donde fue recopilada información sobre las presiones de viento en el techo de dicha estructura en el estado de la Florida, durante el paso del huracán Iván en el año 2004. La segunda fuente de datos son del estudio realizado en el túnel de viento de la Universidad de Clemson para dicha residencia a escala 1:50. El propósitos de esta investigación es estudiar los coeficientes de presión de ambas fuentes y comparar con los valores sugeridos en el estándar ASCE 7, los cuales son basados en la suposición errónea que estos siguen una distribución normal (Tieleman, 2007). Se preparó un algoritmo utilizando el programa MATLAB para analizar los datos suministrados, creando histogramas de barras que representan los coeficientes de presión (GCp), según se utilizan en ASCE 7. Cincos diferentes tipos de distribuciones probabilísticas fueron analizadas para propósito de comparación y determinar cuál de estas distribuciones se asemeja más a los valores reales. Esta investigación compara sus resultados con los estudios llevados a cabo por (Tieleman, 2003) y (Holmes, 2003). En adición incluye el análisis de otras tres (3) distribuciones probabilísticas que son la “Log-logistic”, “Generalized Extreme Value (GEV)” y “t-Location Scale”. Los resultados del caso estudiado, tomando en cuenta el alcance del trabajo de Tieleman y Holmes, indicaron que las distribuciones probabilísticas que mejor se ajustan a los datos reales y experimentales son la distribución Gamma y la distribución “Generalized Extreme Value (GEV)”, respectivamente. Tomando en cuenta todas las distribuciones analizadas, este estudio determinó que la distribución “Log-logistic” es la que mejor se ajusta a los valores experimentales. Esta investigación sugiere que la distribución normal no es la más adecuada para representar el comportamiento del viento en las estructuras en las zonas de separación del fluido (ej., esquinas, filos, etc.), según presentado en el estándar ASCE 7.

Considering the effect of wind charges in the structure of low rise buildings, as told in “American Society of Civil Engineers: Minimum Design Loads for Building and other Structures”, ASCE 7, are those which average height and low horizontal dimension do not exceed 60 feet. This category includes almost every residence and commercial structure located in areas with extreme wind conditions. The extent of this investigation presented on this report includes the statistic description of time of the wind pressure to estimate the peak value, this information was taken from the roof of a residence structure, in a full scale and in the wind tunnel. This investigation used the information taken by the “Florida Coastal Monitoring Program” FCMP. The information comes from two main sources: the first one from field data gather from a residential structure identified as FL-27, where the gather information consist of the wind pressures on the roof of this structure in the state of Florida when hurricane Ivan struck in panhandle in 2004. The second source of information is from studies made in the wind tunnel of University of Clemson for the residence at a 1:50 scale. The purpose of this investigation is to compare the peak pressure coefficients and peak wind loads at full scale and wind tunnel data, with the ASCE 7 standard values, which are based on the erroneous assumption that they are distributed normally (Tieleman, 2007). An algorithm was created using the software program MATLAB to analyze the data obtained in the form of coefficient of pressure (GCp) histograms. Five (5) different probabilistic distributions were analyzed to compare each other and determine which one better resembles real values. This study compares its results with the studies performed by Tieleman and Holmes. In addition, three (3) other probabilistic distributions (Log-logistic, Generalized Extreme Value (GEV), and “T-Location Scale” are analyzed. The results of this study indicate that when consideration is only given to the extent of the research made by Tieleman and Holmes, the probabilistic distributions that better represent real values and experimental values are the gamma distribution and the Generalized Extreme Value, respectively. When consideration is given to all the probabilistic distributions analyzed in this study, results show that the “Log-Logistic” distribution provides the best representation. This study suggests that the normal distribution is not the most adequate to be used to represent the behavior of wind pressure on low-rise structures in the zone of flow separation (e.g., corners, sharp edges, etc.) as used in the ASCE-7 code.