El diseño de estructuras capaces de soportar cargas de nieve es un desafío típico de la ingeniería que se complica por la variabilidad inherente al clima, principalmente por el impacto que el viento puede tener en varios aspectos del diseño. El viento no solo genera fuerzas que la estructura debe soportar, sino que también puede alterar la forma en que la nieve se acumula en el techo y, por lo tanto, la carga de nieve de diseño. Son muchos los factores que influyen en la estimación de la carga de nieve para una estructura, y las estructuras con techo no solo deben soportar eventos aislados de nevada, sino también la acumulación de nieve a lo largo de múltiples eventos de nevada, a menudo acompañados de lluvia. El clásico equilibrio de la ingeniería determina cuánto soporte estructural se necesita para alcanzar la confiabilidad exigida por el código de construcción.
Las condiciones climáticas altamente variables en toda América del Norte dan lugar a una amplia gama de niveles y patrones de acumulación de nieve. En las zonas costeras, los ciclos de congelación y descongelación son frecuentes, lo que por lo general minimiza las acumulaciones a lo largo del invierno, mientras que las regiones montañosas del oeste experimentan las acumulaciones de nieve más profundas, que a menudo duran todo el invierno. La parte oriental del continente experimenta vientos variables y episodios de nieve y lluvia, y muchas áreas se mantienen lo suficientemente frías como para que esto provoque tanto acumulación como importantes acumulaciones de nieve por el viento, así como la formación de hielo.
Las décadas de datos meteorológicos de alta resolución facilitan considerablemente el reto del diseño, ya que permiten realizar estimaciones lo suficientemente precisas de las nevadas y la acumulación de nieve a nivel del suelo. El viento tiene una influencia considerable en la distribución espacial de la acumulación de nieve, ya que en las zonas con alta velocidad del viento, este arrastra la nieve e impide que caiga al suelo. En las zonas con menor velocidad del viento, la nieve se acumula en el aire y puede caer, formando montículos.
Cuando no hay viento —quizás en un bosque denso o en un valle montañoso protegido—, la carga de nieve sobre el techo es fácil de calcular, ya que es igual a la carga de nieve sobre el suelo. Por otro lado, en el caso de una estructura ubicada en terreno llano sin elementos en la superficie —como árboles o edificios— que obstaculicen o frenen el viento, la estimación de la carga de nieve sobre el techo puede reducirse en comparación con el caso en el que no hay viento.
Tomar en cuenta el tipo de terreno y cómo este influye en la fuerza del viento sobre una estructura no solo es importante para estimar la acumulación de nieve, sino también para calcular los requisitos estructurales necesarios para soportar la carga del viento. Más complicado que la estimación de la carga de nieve, el diseño de la carga de viento toma en cuenta las fuerzas estáticas del viento sobre la estructura principal y el revestimiento de la misma, y a menudo es lo único que se debe considerar para edificios de baja y mediana altura. Las estructuras más altas o de gran luz suelen requerir un cálculo de carga dinámica que considere los efectos de resonancia y otras fuerzas impulsadas por el viento. En ambas situaciones, el impacto que el terreno tiene sobre el viento también ocupa un lugar destacado en los cálculos de diseño.
Los factores que se toman en cuenta al diseñar nuestras estructuras de tela para que resistan las cargas de nieve que la Madre Naturaleza nos impone sin piedad son:
La carga base de nieve en el techo se calcula utilizando una estadística de 1 en 50 años para la carga de nieve en el suelo de la zona, al igual que la carga de la lluvia y el agua de deshielo que se acumula junto con la nieve. La pendiente del techo es una cuestión de geometría simple. Los otros dos factores principales que se toman en cuenta en el diseño para la carga de nieve tienen que ver con la influencia del viento. Dado que el tipo de terreno sobre el que se ubica el edificio marca una diferencia significativa en cuanto a cómo el viento afecta la carga de nieve, el Código de Construcción ayuda a los diseñadores a clasificar el terreno. La Figura 1 muestra los tres tipos de terreno clasificados por el Código de Construcción en el «factor de exposición», utilizando los términos «Terreno abierto» y «Terreno accidentado» para describir los extremos del espectro. El código describe el terreno abierto como aquellas áreas rurales en las que «el edificio está expuesto por todos los lados al viento sobre un terreno abierto» y «el área del techo en cuestión está expuesta al viento por todos los lados sin obstrucciones significativas en el techo, tales como muros de parapeto...». Para aplicar la reducción en la carga de nieve requerida, también es necesario que no haya superficies adyacentes al techo que puedan causar la acumulación de nieve debido a la deriva.
Figura 1: El resaltado en amarillo indica un área de terreno abierto, mientras que el resaltado en rojo indica terreno accidentado. El terreno mixto es la zona de transición entre estas áreas, que se muestra con un resaltado en naranja. (Licencia de la imagen obtenida a través de Envato Elements y otorgada a Calhoun Super Structure.)
Para mostrar cómo se obtiene la estimación del terreno en el cálculo de la carga de nieve requerida, echa un vistazo a la siguiente ecuación para la carga de nieve de diseño, S, del Código Nacional de Construcción de Canadá:
donde Cw es el factor de exposición al viento, que es 1 para terrenos mixtos o accidentados, pero puede ser de 0,75 para terrenos abiertos (con las salvedades mencionadas anteriormente) y tan bajo como 0,5 para «áreas expuestas al norte de la línea de árboles». Para ver cómo la selección del emplazamiento de una estructura de ejemplo puede afectar la carga de nieve de diseño, podemos utilizar los datos de un proyecto de ejemplo de Calhoun Super Structure que se muestra a continuación en la Figura 2.
Figura 2: Aquí se muestran figuras de ejemplo para ilustrar el cálculo de la carga de nieve.
Utilizando las cifras anteriores para terreno mixto o accidentado, donde Cw es 1 (y Cs y Cα también tienen el valor de 1), tenemos:
Si, por el contrario, el edificio estuviera ubicado en terreno abierto, Cw tendría un valor de 0,75 y la carga de nieve de diseño se calcularía de la siguiente manera:
La comparación de estos dos resultados muestra que los detalles del terreno de un sitio propuesto para la construcción pueden modificar la carga de nieve de diseño hasta en un 30 %, lo cual puede tener un impacto significativo en el costo y el diseño estructural.
