La brisa que hace vibrar chimeneas
Una chimenea de acero diseñada para ráfagas de más de 30 m/s puede entrar en resonancia con 8 m/s (29 km/h). Se llama vibración inducida por vórtices (VIV) y daña por fatiga: suma millones de ciclos en la vida útil. Acá van el mecanismo, el número de Scruton (que controla cuánto vibra la chimenea), la fatiga en la placa base, cómo se corrige y qué dicen las normas chilenas.
El viento pasa por la chimenea (un cilindro), la capa límite se separa y detrás del fuste nacen vórtices alternados, uno por cada lado. Como nacen primero de un lado y después del otro, la chimenea recibe un empuje perpendicular al viento que cambia de signo con cada desprendimiento. Es la calle de vórtices de Von Kármán, el mismo mecanismo que hace cantar un cable eléctrico o vibrar la antena del auto. La frecuencia con que se desprenden es:
El número de Strouhal depende de la forma del cuerpo. En cilindros circulares, St ≈ 0.20, el valor que usa ASME STS-1 (la norma estadounidense de chimeneas de acero) para una chimenea sola, sin otras chimeneas o estructuras cerca que alteren el flujo.
Cuando fs iguala la frecuencia natural del fuste, fn, la estructura entra en resonancia. Despejando la velocidad:
Una chimenea de acero de 2.0 m de diámetro con fn = 0.8 Hz tiene Vcr = 0.8 × 2.0 / 0.20 = 8 m/s, o sea 29 km/h, una brisa. La ráfaga de diseño de esa misma chimenea pasa de 30 m/s. Ojo con la comparación, porque no son el mismo viento: los 30 m/s son ráfaga de 3 segundos y los 8 m/s son viento medio. Aun así, el punto se mantiene: la chimenea resuena con un viento cuatro veces menor que el que se usó para dimensionarla. Es como un auto que vibra a 40 km/h y anda perfecto a 140. Además, un viento así aparece muchas más veces en la vida de la estructura que la ráfaga de diseño.
Hay un caso medido a escala real. Ellingsen y otros (2022) instrumentaron una chimenea de acero de 0.78 Hz y 2 m de diámetro en su tramo superior, construida a propósito para vibrar con poco viento, y midieron su respuesta en terreno bajo vibración inducida por vórtices.
El VIV no se limita a las chimeneas de frecuencia cercana a 1 Hz. NCh432:2025, la norma chilena de viento, usa un umbral de 1 Hz (3.18, 3.20 y 5.9) para clasificar la estructura como rígida o flexible y así elegir su factor de ráfaga. Esa clasificación no tiene relación con los vórtices. Lo que controla la aparición del VIV es el producto fn·D frente al viento medio de diseño del sitio. Una chimenea de 2 m de diámetro a 1.5 Hz tiene su Vcr en 15 m/s, y un tubo de venteo de 0.3 m de diámetro a 5 Hz, en 7.5 m/s. ASME STS-1 pide revisar el VIV con un criterio de velocidad, sin umbral de frecuencia. En su ejemplo resuelto E-7, a 1.335 Hz, la chimenea necesita amortiguamiento adicional o strakes (aletas en espiral, que se explican más abajo).
Si la oscilación crece, el desprendimiento deja de obedecer a la fórmula y se sincroniza con el movimiento: la estructura organiza la estela y la estela alimenta el movimiento. Eso es el lock-in, y es lo que hace peligroso al VIV, porque no necesita que el viento se quede clavado en Vcr: entre 0.8 y 1.4·Vcr la estela sigue enganchada, así que la ventana de viento que excita la chimenea es ancha. Si el número de Scruton es bajo (se explica en la sección siguiente), la amplitud va de 0.1 a 0.3 veces el diámetro, es decir, de 20 a 60 cm en la punta de la chimenea de 2 m de diámetro.
El acero amortigua poco: 0.2 a 0.6 % del crítico (ASME STS-1, Tabla 5.2.1), es decir, δ entre 0.013 y 0.038 (δ ≈ 2π·ζ, con ζ la razón de amortiguamiento). Con eso, el Scruton de una chimenea sin revestir queda bajo sin ningún esfuerzo.
- Sc < 8 o 9: amplitudes severas.
- Sc > 25: respuesta excesiva improbable.
Esos dos umbrales son los de CICIND (el comité internacional de chimeneas industriales) y los de la práctica europea. ASME STS-1 no usa el Scruton con ese nombre, usa el producto equivalente mr·βs, pero es la misma idea. Fíjate en la fórmula: la masa y el amortiguamiento entran igual, pero la masa de una chimenea ya la fijó el espesor que pide la resistencia, y duplicarla no es realista. La palanca real es el amortiguamiento.
A 0.8 Hz, una hora de lock-in son casi 2900 ciclos. Unos cientos de horas al año, durante veinte años, acumulan del orden de 107 ciclos. La flexión oscilante concentra su rango de tensión en dos lugares: la soldadura fuste–placa base (categoría C de fatiga) y los pernos de anclaje (categoría G, de las más débiles), ambas categorías de AISC 360, Apéndice 3. En esos dos lugares, salvo con un Scruton muy bajo, la chimenea no falla por resistencia última. Falla por fatiga, con grietas circunferenciales que aparecen sin ningún evento extraordinario que las explique. Por eso es difícil diagnosticar esta falla: la grieta aparece después de años de vientos comunes.
Solución aerodinámica: strakes helicoidales
Las aletas en espiral (strakes) desfasan el desprendimiento: cada altura suelta sus vórtices en fase distinta y la fuerza lateral casi se cancela. La receta de ASME STS-1 (5.3.1) es concreta: tres hélices a 120°, paso de 5·D, altura de aleta de 0.10·D, en el tercio superior del fuste.
Los strakes tienen una contrapartida: ASME recomienda usar un coeficiente de arrastre CD = 1.4, el doble del fuste liso, así que después de poner los strakes hay que rehacer la verificación estática al viento, y a veces la fundación.
Solución mecánica: sumar disipación
Cuando el strake no es viable, se agrega amortiguamiento. Un TMD (amortiguador de masa sintonizada), con una masa de 1 a 3 % de la masa modal y sintonizado cerca de fn, lleva el amortiguamiento efectivo de 0.3 % a 2 o 3 %. Con eso el Scruton se multiplica por 7 a 10.
Los amortiguadores de cadena son más rústicos: cadenas colgadas dentro del fuste que disipan por impacto y roce. Baratos y sorprendentemente efectivos en chimeneas industriales. Es la misma idea del péndulo de Taipei 101, en versión minera y con presupuesto real.
Dónde se calcula
NCh432:2025, la de viento, deja fuera la chimenea vulnerable a los vórtices: para usar su procedimiento, la estructura no debe ser vulnerable al desprendimiento de vórtices (8.1.2), y la estructura que sí es vulnerable se diseña con una metodología debidamente justificada (8.1.3). NCh2369:2025, la sísmica, trae el capítulo de chimeneas (11.3), pero su comentario C11.3 llama al viento con vórtices «un aspecto ajeno a esta norma» y remite, como códigos de uso común para ese diseño, a ASME STS-1 y a los Model Codes de CICIND.
Faenas en altura
A 4000 m de altitud la densidad del aire cae a ≈ 0.8 kg/m³ (NCh432:2025, 5.7). Sube el Scruton y baja la excitación, pero hay que rehacer la verificación por VIV con la densidad del aire del sitio.
El montaje
El montaje es el momento más delicado: sin refractario ni aislación, la chimenea tiene su masa mínima y su Scruton más bajo. Hay que revisar esa etapa por separado; ASME STS-1 (4.3.6) pide considerar el viento durante la construcción.
- Calcular Vcr para cada modo con la fn del modelo, que cambia bastante con la rigidez de la base.
- Comparar Vcr con la velocidad media horaria de diseño a 5/6 de la altura de la chimenea (ASME STS-1, 5.2.2), no con la ráfaga de 3 s.
- Estimar el Scruton con el amortiguamiento de la Tabla 5.2.1 de ASME STS-1, y no con el 2 o 5 % que se usa en diseño sísmico.
- Si Vcr queda bajo 1.2 veces la velocidad media horaria de diseño, calcular la respuesta por VIV. Si las tensiones o la fatiga no cumplen, instalar strakes o un amortiguador; con strakes, rehacer la verificación estática con CD = 1.4.
- Verificar fatiga en la soldadura fuste–placa base y en los pernos de anclaje (AISC 360, Apéndice 3) con el número de ciclos estimado para la vida útil.
- En faenas en altura, rehacer la verificación por VIV con la densidad del aire del sitio (NCh432:2025, 5.7).
- Revisar la etapa de montaje con la masa mínima (sin refractario ni aislación).
El daño por VIV se concentra en la placa base y en los pernos de anclaje. El curso cubre el diseño de esa conexión: placas bases rotuladas y empotradas, sillas de anclaje y llaves de corte, sobre proyectos reales.
Ver el curso →ASME STS-1-2006. Steel Stacks. American Society of Mechanical Engineers. Cláusulas 4.3.6, 5.2.1, 5.2.2, 5.3.1 y Tabla 5.2.1; ejemplo E-7.
CICIND (2010). Model Code for Steel Chimneys, Revision 2. International Committee on Industrial Chimneys.
Ellingsen, Ø. M., et al. (2022). Field Tests on a Full-Scale Steel Chimney Subjected to Vortex-Induced Vibrations. Structural Engineering International, 32(1), 55–61.
Ishihara, T., & Li, T. (2020). Numerical study on suppression of vortex-induced vibration of circular cylinder by helical wires. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, 197, 104081.
Vickery, B. J., & Basu, R. I. (1983). Across-wind vibrations of structures of circular cross-section. Part I: Development of a mathematical model for two-dimensional conditions. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, 12(1), 49–73.
INN (2025). NCh432:2025 Diseño estructural – Cargas de viento. Instituto Nacional de Normalización, Chile. Cláusulas 3.18, 3.20, 5.7, 5.9, 8.1.2 y 8.1.3.
INN (2025). NCh2369:2025 Diseño sísmico de estructuras e instalaciones industriales. Instituto Nacional de Normalización, Chile. Cláusula 11.3 y comentario C11.3.
AISC 360-16. Specification for Structural Steel Buildings, Apéndice 3 (fatiga), Tabla A-3.1.