Diseño de Un Portico de Tres Niveles Con Sap 2000 v15

UNIVERSIDAD DE SUCRE FACULTAD DE INGENIERIAS INGENIERIA CIVIL HERRAMIENTAS COMPUTACIONALES DOCENTE: ING. LIBARDO SALCEDO

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DISEÑO DE UN PORTICO DE TRES NIVELES CON SAP 2000 V15 FACULDAD DE INGENIERIAS DEPARTAMENTO DE INGENIERIA CIVIL INGENIERIA CIVIL HERRAMIENTAS COMPUTACIONALES ING. LIBARDO SALCEDO Docente

Universidad de Sucre Visible para todos 2014

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PORTICO EN CONCRETO REFORZADO

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INTRODUCCION

El SAP2000 se basa en un programa escrito en FORTRAN inicialmente desarrollado a comienzos de los años setenta por el Dr. Edward L. Wilson, actualmente profesor emérito de ingeniería civil de la Universidad de California en Berkeley. El programa se llamaba originalmente SAP IV por las siglas en inglés de Structural Analysis Program (Programa de Análisis Estructural). El enfoque de la enseñanza del análisis estructural está cambiando en forma acelerada debido a la profusión del uso y disponibilidad de la computadora. Los costos cada vez más bajos y la capacidad de cálculo siempre creciente han tenido, como era de esperar, un efecto positivo en los programas para el análisis de estructuras. El número y variedad de programas para el análisis y diseño de estructuras ha crecido al mismo ritmo que se han desarrollado las computadoras. Es muy probable que alguno o incluso varios de los programas tales como SAP2000, ETABS, SAFE, Visual Analysis, STAAD/Pro, RISA, GT-Strudl, WinStrudl, RAM, Robot, LARSA, 3D+, RSTAB y otros, se encuentren hoy en día en todas las oficinas de cálculo y diseño.

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DATOS: 1.

MATERIALES:

Concreto f’c = 210 Kg/cm2 Acero: fy = 4200 Kg/cm2 2.

SECCIONES:

2.1. COLUMNAS C: 30x30 2.2. VIGAS V1:35X25 (Para el 1er y 2do Nivel) V2:30X25 (Para el 3er Nivel) 3. CARGAS Las cargas que se presentan a continuación, tanto la carga viva como la carga muerta, se obtuvieron de haber realizado el análisis de cargas para el pórtico dado. (Ancho tributario, Peso de Aligerado, Peso de Acabados, Peso de Tabiquería, Peso de Muro sobre la viga, Sobrecarga, etc.).No se incluye el peso propio de la viga. El Programa SAP2000 para facilitar el análisis de cargas tiene definido por defecto el PATRON DE CARGAS: DEAD (Muerta) que calcula de manera automática el PESO PROPIO de los elementos estructurales a los que se les ha asignado una sección previamente definida. 3.1. PRIMER NIVEL Carga Muerta: 2.88 Ton/m Carga Viva: 0.85 Ton/m Carga Viva: 0.85 Ton/m 3.2. SEGUNDO NIVEL Carga Muerta: 2.88 Ton/m Carga Viva: 0.85 Ton/m Carga Viva: 0.85 Ton/m 3.3. TERCER NIVEL Carga Muerta: 1.76 Ton/m Carga Viva: 0.43 Ton/m Carga Viva: 0.43 Ton/m

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Continuación se muestran los pasos a seguir para modelar el pórtico de 3 niveles en el programa SAP2000, analizarlo y diseñar el acero de las vigas y columnas en todos los niveles.

PASO 1: ABRIR EL PROGRAMA SAP2000 Ejecutamos el programa SAP2000 Versión 14, desde el acceso directo que se encuentra en el escritorio. El programa se ejecutará y antes de mostrar el entorno del programa, aparecerá un cuadro de dialogo Tip of the day (Consejo del día), el que muestra algunas actualizaciones y recomendaciones para el programa y el uso de sus comandos.

  Next Tip: Siguiente Consejo  Previous Tip: Consejo Anterior  Picamos en OK y Tendremos el entorno SAP2000 14 para empezar a modelar nuestra estructura.

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PASO 2: DEFINIR UNIDADES Seleccione las unidades en las que desea trabajar. Esta opción se encuentra en la parte inferior derecha de la pantalla principal de SAP2000 V14, como se muestra a continuación.

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PASO 3: SELECCIÓN DEL MODELO Del menú principal (parte superior), abriendo la opción de File > seleccione New Model. Esta acción lo llevará a la ventana de New Model que se muestra a continuación.

Seleccione la plantilla 2D Frames, que es la que se muestra a continuación:

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Esto lo conducirá a la siguiente ventana o pantalla.

 Se deben llenar las casillas de acuerdo con las caracteristicas de nuestra estructura en 3D.  Number of Stories (Número de Pisos): 3  Number of Bays (Número de tramos): 4  Story Height (Altura de piso) 2.8  Bays Width: 4.50

Se deben llenar las casillas de acuerdo con las características de nuestra estructura en 2D. Las opciones que se presentan en Section Properties nos permiten definir las secciones de los elementos estructurales que utilizaremos mas adelante. Debido a que existen opciones en el Menu de herramientas (Define/ Section Properties/ Frame Sections) que son exclusivamente para la definición de secciones, es que se ignora por ahora esa parte.

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NOTA: Asegúrese que la opción de Restraints está seleccionada. De otra manera, la estructura tendrá las juntas libres (sin apoyos).  Chequee la opción Use Custom Grid Spacing and Locate Origin para editar la cuadrícula y localizar el origen de coordenadas y haga clic en el botón Edit Grid, lo que lo llevará a la siguiente ventana: 

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 Digite los valores correspondientes para ubicar los ejes en función de las longitudes de los tramos.  Cabe resaltar que podemos utilizar las celdas de esta ventana como si fuesen celdas de excel, quiere decir que si realizamos una operación aritmética dentro de la celda, esta al presionar enter muestra el resultado. Si le colocamos por ejemplo: 3.9 + 2.8 y Enter, se obtendra el resultado 6.7  Si se ingresaron los datos en forma alternada sin seguir un orden creciente o decreciente, solo hacer clic en Reorder Ordinates y todas los valores se ordenan.  La opción Bubble Size es el tamaño de las burbujas que representan los Ejes.  presione Ok dos veces. Esto lo conducirá a la pantalla principal de SAP2000, la cual tiene por omisión dos ventanas principales: una en tres dimensiones y la otra en el plano XZ. PASO 4: DEFINICION DE LAS CONDICIONES DE LOS APOYOS PARA EL MODELO Para cambiar las condiciones de borde, seleccione primero las juntas, luego se le asignan condiciones de apoyo con restricciones.

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Luego de seleccionar las juntas seleccione en el menú principal Assign y la opción de Joints y la sub‐opción de Restraints o presione el icono del toolbar que se encuentra en la parte superior de la pantalla principal. Ambas acciones lo conducirán a la pantalla que se muestra:

PASO 5: DEFINICION DE PROPIEDADES DE LOS MATERIALES: Verifique que las unidades con las que se especifican los sean las adecuadas. Para definir las propiedades de los materiales, seleccione Define del menú principal, de la lista que se presenta escoja la opción de Materials como se muestra en la figura a continuación:

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DEFINIENDO EL MATERIAL: Concreto210 Seleccione el botón de Add New Material Quick para adicionar un nuevo material de los disponibles según las especificaciones, el cual lo conducirá a la pantalla de Quick Material Property Definition que se muestra:

DEFINIENDO EL MATERIAL: Acero 4200: Seleccione el botón de Add New Material Quick para adicionar un nuevo material de los disponibles según las Especificaciones, el cual lo conducirá a la pantalla de Quick Material Property Definition que se muestra:

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Seleccione Rebar en Material Type y ASTM A615 Grade 60 (fy =4200 Kg/cm2 aprox.) en Specification y presione el botón Ok. Luego de la ventana Define Materials seleccione el material A615 Grade 60

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PASO 6: DEFINICIÓN DE LAS SECCIONES DE LOS ELEMENTOS VIGAS Y COLUMNAS

Para definir las secciones de los elementos, seleccione Define en el menú principal y luego la opción Section Properties/ Frame Sections.

Para el caso del modelo se tiene secciones rectangulares de concreto, para ello dar clic en el botón Add New Property que lo llevará a la ventana Add Frame Section Property. Del cuadro de diálogo Frame Section Property Type seleccione la opción Concrete y luego la sección Rectangular.

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Repetir el procedimiento anterior para crear la sección Viga25x30 y Columna de 30x30

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PASO 7: ASIGNAR SECCIONES DE LOS ELEMENTOS AL MODELO  Luego de definir las secciones y los materiales, el siguiente paso es asignar dichas propiedades a los elementos. Seleccione los elementos del modelo correspondientes a las columnas mediante un clic encima de dichos elementos dibujando un cuadro que cubra dichos elementos, moviendo el mouse y manteniendo apretado el botón izquierdo. Del menú de Assign seleccione Frame/Frame Sections, lo que lo lleva a la siguiente ventana:

Seleccione del recuadro Properties el nombre de la sección previamente definido (para nuestro caso Columna 30x30. Al presionar OK, el nombre de la sección va a aparecer sobre el elemento de la estructura. Repita el mismo procedimiento para asignar las secciones de las vigas y el pórtico se mostrará como el siguiente: Borramos las columnas del eje D que no son parte del modelamiento, quedando de esta manera un volado.

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PASO 8: DEFINIR SISTEMAS DE CARGAS

Antes de aplicarle las cargas al modelo es necesario definir los sistemas de cargas (por ejemplo Muerta, Viva, Viento, Sismo, etc). En este paso NO se aplican las cargas, solamente se definen cuáles de ellas van a ser utilizados. En este problema se va a aplicar la carga VIVA y MUERTA, esta última como lo aclaramos al inicio no incluirá el peso propio de la viga, El SAP2000 calcula automáticamente el peso propio de los elementos estructurales con el PATRON DE CARGAS: DEAD (Muerta). Para definir el sistema de cargas, seleccione Define del menú principal y luego la opción Load Patterns.

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Esto lo llevará a la siguiente ventana, donde inicialmente el programa tiene por omisión el patrón de carga DEAD (MUERTA). Proceda a definir los demás estados de carga. DEAD, carga muerta LIVE, carga viva

PASO 9: ASIGNAR LAS CARGAS A LA ESTRUCTURA Se debe tener en cuenta que para la azotea tanto la carga muerta (DEAD) como la carga viva (LIVE) tienen valores diferentes con respecto a los otros niveles. ASIGNACIÓN DE CARGA MUERTA PRIMER Y SEGUNDO PISO - DEAD Para asignar la carga muerta uniformemente distribuida, seleccione primero las vigas del primer piso, luego del menú Assign, escoja la opción Frame Loads/Distributed o también puede presionar el icono ubicado en el toolbar superior. Esto lo lleva a la siguiente pantalla:

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PASO 10: DEFINIR BRAZOS RÍGIDOS PARA LAS VIGAS Y COLUMNAS Seleccionar las vigas y columnas del modelo.

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 Luego Asign/Frame/End (Length) Offset Seleccionar la opción Automatic from Connectivity y en Rigid zone factor digitar 0.5 y Ok.

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Luego el Pórtico se mostrara con los brazos rígidos en cada nudo. Los Brazos rígidos se colocan para que el programa SAP2000 al momento de realizar el análisis muestre los momentos negativos de las vigas y de columna a una distancia establecida medida desde el nudo.

PASO 11: DEFINICIÓN DE LAS COMBINACIONES DE CARGA COMB1 : 1.2DEAD+1.6LIVE Linear ADD

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PASO 12: ANALIZAR LA ESTRUCTURA:

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Antes de ejecutar el programa, Elegimos en base a que sistema se llevara a cabo el analisis, para nuestro ejemplo es PLANO XZ. Por lo tanto, Analyze/ Set Analysis Options, escogemos PLANO XZ y OK.

El procedimiento seguido hasta el Paso anterior desarrolla lo que es la entrada de datos al programa o Pre-Procesamiento. Lo que procede ahora es resolver el problema o sea continuar con la etapa de solución, para lo que del menú Analize, seleccionar la opción Run Analysis. Nos aparecerá la siguiente ventana del cual solo haremos una modificación seleccionar MODAL y clic en Run/Do Not Run Case. Esta opción se mantendrá activa siempre y cuando se esté realizando un análisis dinámico con sismo y luego la opción Run Now.

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_____________________________________________________________________________ PASO 13: LECTURA E INTERPRETACIÓN DE LOS RESULTADOS:

13.1 REACCIONES EN LOS APOYOS: Las reacciones en cada apoyo del pórtico serán 3 (2 fuerzas y 1 momento), para que el SAP lo muestre nos vamos a Display/ Show Forces/ Stresses/ Joints Aparcera el cuadro de dialogo Joint Reaction Forces, donde Case/ Combo Name: Escogeremos el tipo de combinación para el que queremos calcular las reacciones. El SAP2000 solo muestra la fuerza de los ejes X y Z (1 Y 3), mas no muestra los momentos; Para ver los momentos tenemos que picar en el punto y hacer anti clic, de esa manera nos mostrará un cuadro especificando si es un momento o fuerza y en que eje está aplicándose. 13.2 DIAGRAMA DE ESFUERZOS Para ver los esfuerzos de columnas y vigas nos vamos a Display/ Show Forces/ Stresses/ Frames/ Cables Aparecerá el cuadro de dialogo Member Force Diagram for Frames, en Case/ Combo Name se escoge el tipo de combinación del que se quiere visualizar los esfuerzos axiales, ENVOLVENTE.

En Component se dan las siguientes opciones:

Axial Force: Fuerza Axial en el elemento. Shear 2-2: Cortante en el eje local 2. Shear 3-3: Cortanteen el eje local 3. Torsión: Torsión en torno al eje local 1. Moment 2-2: Momento en torno al eje local 2. Moment 3-3: Momento en torno al eje local 3.

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En Scaling tenemos opciones que nos permiten aumentar o disminuir el tamaño de los diagramas de esfuerzos en el caso que fuesen demasiado pequeños o grandes respectivamente; Auto (Automático) y de escogerse Scale Factor se coloca dentro de la casilla un valor que multiplicado con el esfuerzo nos dara la medida Ejemplo: 55 Tonf * 0.02 = 1.1 m (Magnitud visualizada del esfuerzo); Debemos tener en cuenta que el factor de escala introducido no altera en ningún caso los valores de los esfuerzos.

Para tener un mejor detalle del esfuerzo axial a lo largo de todo un elemento, se hace anti clic sobre el elemento y aparecerá una ventana como la siguiente, el elemento seleccionado se encontrara parpadeando de amarillo.

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DIAGRAMA DE CORTANTE (SHEAR 2-2)

DIAGRAMA DE MOMENTOS (MOMENT 3-3)

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DESPLAZAMIENTOS Y ROTACIONES Para visualizar el valor de los desplazamientos y rotaciones de todos los nudos existen 3 maneras, vamos al Menu Display/ Show Deformed Shape, también presionando F6.

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RESULTADOS EN TABLAS Y EXPORTARLOS AL EXCEL. Para visualizar los resultados en una tabla desplegamos el Menú Display/ Show Tables o Shift + F12.

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En ANALYSIS RESULTS seleccionamos la casilla del resultado que se desea visualizar (para nuestro caso Displacements), luego en Select Load Cases seleccionamos la combinación de carga del cual queremos ver los desplazamientos y finalmente OK dos veces.

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De la misma manera se pueden observar los resultados de Esfuerzo Axial, Cortante, Momentos, Reacciones y otros. Para Exportar al Excel la tabla con los resultados, nos vamos al menú File/ Export All Tables/ To Excel y el programa SAP2000 abrirá una hoja de Excel conteniendo la tabla.

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PASO 14: DISEÑO EN ACERO El cálculo de acero manualmente se calcula con dos formulas que son iterativas o también con la formula cuadrática que se despeja de aquellas; En cambio el Programa SAP2000 realiza el cálculo internamente mostrando el valor del área necesaria al detalle para cada elemento estructural. Para llevar a cabo el cálculo del área de acero en el programa se debe definir antes el Codigo o Reglamento de Construcción con el que se trabajará. Design/ Concrete Frame Design/ View/ Revise Preferences y aparecerá la siguiente ventana:

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Las Áreas de acero que se muestran tienen las mismas unidades establecidas al inicio, es decir están en metros cuadrados (m2); En la parte inferior derecha cambiamos las unidades a Centímetros (Tonf, cm, C), de esa manera obtendremos las áreas en centímetros cuadrado (cm2) facilitando al diseñador al momento de escoger la combinación de diámetros a utilizar.