MANUAL SAP 2000 ESTRUCTURAS METÁLICAS
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Contenido 2.1.
I.
INTRODUCCIÓN ..................................................................................................... 4
II.
COMPORTAMIENTO DEL ACERO ESTRUCTURAL ........................................ 5
DIAGRAMA ESFUERZO-DEFORMACION DEL ACERO ESTRUCTURAL .............. 5 III.
3.1.
TIPOS DE PERFILES DE ACERO ESTRUCTURAL .......................................... 6
Clasificación de las secciones según el AISC-LRFD ................................................. 7 IV.
MÉTODO LRFD (DISEÑO POR FACTORES DE CARGA Y RESISTENCIA) . 14
4.1.
Factores de Carga ..................................................................................................... 15
4.2.
Factores de Resistencia ............................................................................................ 16 V.
MÉTODO DE ESFUERZOS ADMISIBLES ....................................................... 17
VI.
DISEÑO DE ELEMENTOS SOMETIDOS A TRACCIÓN ................................. 20
VII.
DISEÑO DE UNIONES SIMPLES ..................................................................... 24
7.1.
Fluencia en el área bruta de los elementos conectados .......................................... 26
7.2.
Fractura en la sección neta efectiva de los elementos conectados ......................... 26
7.3.
Falla por Desgarramiento .......................................................................................... 27 VIII.
SOLDADURAS:.................................................................................................. 28
IX.
DISEÑO DE ELEMENTOS SOMETIDOS A COMPRESIÓN............................ 32
X.
DISEÑO DE ELEMENTOS SOMETIDOS A FLEXIÓN Y CORTE .................... 33
XI.
DISEÑO DE ESTRUCTURAS METALICAS UTILIZANDO SAP2000 .............. 38
11.1.1.
Pantalla Inicial. ................................................................................................... 39
11.1.1.1. Lista General de Menú en pantalla .................................................................... 40 11.1.1.2. Descripción de Iconos en Pantalla .................................................................... 41 11.1.2.
Menú File: Archivos ............................................................................................ 43
11.1.2.1.1.
Select Template: Seleccionar Modelos Predeterminados ............................. 45
11.1.2.1.2.
Opción Blank .................................................................................................. 45
11.1.2.1.3.
Opción Grid Only ............................................................................................ 46
11.1.2.1.4.
Opción Beam .................................................................................................. 49
11.1.2.1.5.
Opción 2D Trusses: ........................................................................................ 50
11.1.2.1.6.
Opción 3D Trusses: ........................................................................................ 53
11.1.2.1.7.
Opción 2D Frames: ........................................................................................ 59
11.1.2.1.8.
Definición de líneas de Grid: .......................................................................... 66
11.1.2.1.9.
Report Setup: Configuración de Reportes ..................................................... 67
11.1.2.1.10.
Create Setup: Generar Reportes................................................................ 68
11.1.2.1.11.
Advanced Report Writer: Escribir reporte Avanzado ................................. 68
11.1.2.1.12.
Project Information: Información del proyecto ............................................ 70
11.1.2.1.13.
Convert Lines to Areas: Convertir líneas a Áreas. ..................................... 70
11.1.2.1.14.
Elementos Curvo ........................................................................................ 71
11.1.3.
Materiales ........................................................................................................... 73
11.1.3.1. Add New Material Quick: Adicionar un nuevo material de forma rápida .......... 73 11.1.3.2. Add New Material: Adicionar un Nuevo Material ............................................... 75 11.1.3.3. Section Properties: Propiedades de las Secciones........................................... 78 11.1.3.3.1.
Frame Section: Sección para elementos de Pórticos (Vigas, Columnas, etc.) 79
11.1.4.
Coordinate System/Grids: Sistemas de Coordenadas y Lìneas de Grid .......... 86
11.1.5.
Joint Constraints: Restricciones en conjunto de juntas ..................................... 89
11.1.6.
Load Patterns: Patrones de Carga .................................................................... 90
11.1.7.
Load Cases: Casos de Carga ............................................................................ 92
11.1.8.
Load Combinations: Combinaciones de Carga ................................................. 95
11.1.9.
Menú Draw: Dibujar............................................................................................ 97
11.1.9.1. Draw Frame/Cable/tendón: Dibujar elementos de pórtico “Frame”, cables y Guayas, a partir de dos puntos (Aplica para plantas, elevaciones y en 3D. ...................... 98 11.1.9.2. Quick Draw Frame/Cable/Tendon: Dibujo rápido de elementos de pórtico “Frame”, cables y Guayas, en una región haciendo un click (Aplica para plantas, elevaciones y en 3D) .......................................................................................................... 100 11.1.9.3. Quick Draw Secondary Beams: Dibujo rápido de Vigas Secundarias en una región (grid) haciendo un click (Aplica sólo para el Plano XY) ......................................... 100 11.1.9.4. Quick Draw Braces: Dibujo rápido de Arriostramientos en una región (grid) haciendo un click (Aplica sólo para planos XZ y YZ) ........................................................ 101 11.1.10.
Draw Section Cut: Dibujar una sección de Corte. ........................................... 103
11.1.11.
Menú Select: Seleccionar ................................................................................ 106
11.1.12.
Menú Assign: Asignar ...................................................................................... 108
11.1.12.1.
Joint: Asignar diferentes propiedades y tipos de restricciones a Juntas. ... 108
11.1.12.2.
Restraints: Restricciones Generales. ........................................................... 109
11.1.12.3.
Local Axes: Rotación de ejes Locales ......................................................... 109
11.1.13.
Menú Analyse: Analizar ................................................................................... 110
11.1.14.
Menú Design: Diseñar...................................................................................... 117
I.
INTRODUCCIÓN
Hoy en día, los aceros estructurales son uno de los materiales de construcción de mayor importancia a nivel mundial. Por muchas características deseables, los aceros estructurales han llevado a que se utilicen en una gran variedad de aplicaciones. Están disponibles en muchas formas de productos y ofrecen una alta resistencia inherente. Tienen un módulo de elasticidad muy alto, de manera que las deformaciones bajo cargas son muy pequeñas. Además, los aceros estructurales poseen una gran ductilidad (capacidad a deformarse); tienen una relación esfuerzo-deformación unitaria en forma lineal, incluso para esfuerzos relativamente altos y su módulo de elasticidad es el mismo a tensión que a compresión.
Por tanto, el comportamiento de los aceros estructurales bajo cargas de trabajo puede predecirse de forma “exacta” por medio de la teoría elástica. Además, como se fabrican bajo condiciones de “control”, garantiza una calidad uniforme. Los aceros estructurales incluyen un gran número de aceros que, debido a su economía, resistencia, ductilidad y otras propiedades son apropiadas para miembros que se cargan en una gran variedad de estructuras. Los perfiles y láminas de acero que se destinan para su uso en puentes, edificios, equipos de transporte, etc., se sujetan en general a las especificaciones de la ASTM (American Society for Testing and Materials), que suministra “la calidad del acero” de acuerdo a los requerimientos de la ASTM A6.
Por lo general, los aceros estructurales incluyen aceros con una clasificación del límite de fluencia que va de 30 a 100 ksi. Los niveles de resistencia variados se obtienen por la variación de la composición química y el tratamiento con calor. Para fines de diseño, el Módulo de Elasticidad de los aceros estructurales es de 29,000 ksi (2,040,000 kg/cm2).
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II. 2.1.
COMPORTAMIENTO DEL ACERO ESTRUCTURAL
DIAGRAMA ESFUERZO-DEFORMACION DEL ACERO ESTRUCTURAL
Si una pieza de acero estructural dulce se somete a una prueba de tensión. Ésta comenzará a alargarse. Si se incrementa la fuerza a razón constante, la magnitud del alargamiento aumentará constantemente dentro de ciertos límites; es decir, el alargamiento se duplicará cuando el esfuerzo pase de 6 a 12 ksi.
Curva Esfuerzo-deformación típico para aceros con bajo contenido de carbono Cuando el esfuerzo de tensión alcance un valor aproximado al 50% de la resistencia última del acero, el alargamiento comenzará a aumentar más rápidamente sin un incremento correspondiente del esfuerzo. El mayor esfuerzo para el que todavía es válida la Ley de Hooke y que puede resistir el material sin deformación permanente se denomina límite proporcional y límite elástico respectivamente. El esfuerzo en el que se presenta un incremento brusco en el alargamiento o deformación sin un incremento correspondiente en el esfuerzo es el esfuerzo de fluencia. Este esfuerzo es la propiedad más importante del acero, ya que muchos procedimientos de diseño se basan en este valor. Dentro de este límite se presenta la deformación elástica. Más allá de este valor hay un intervalo en el que ocurre un incremento en la deformación sin incremento del esfuerzo. A dicha deformación se le conoce como deformación plástica, la cual es de diez a quince veces mayor que la deformación elástica. Después de la región plástica se tiene una zona llamada endurecimiento por deformación en la que se requieren esfuerzos adicionales para producir deformaciones mayores.
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III.
TIPOS DE PERFILES DE ACERO ESTRUCTURAL
De acuerdo al AISC, se tienen las siguientes denominaciones de los perfiles estructurales más comunes. W = Viga de Patín Ancho M = Viga Miscelánea S = Viga Estándar Americana C = Canal Estándar Americana MC = Canal Miscelánea L = Ángulo WT = Tee estructural cortado de una W MT = Tee estructural cortado de una M ST = Tee estructural cortado de una S Estas letras, seguidas por números identifican a la sección particular. Por ejemplo, W 18 x 50, C 12 x 30, etc. El primer número indica el peralte de la sección y el segundo indica el peso de la sección en lb/ft. Para ángulos, se designan por la longitud del ala del ángulo y su espesor, L 6 x 6 x ½” o L 7 x 4 x ¼”.
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3.1.
Clasificación de las secciones según el AISC-LRFD
El AISC-LRFD proporciona valores límite para la relación anchoespesor de las partes individuales de miembros a compresión, tal como se verá en el Capítulo 3 de estos apuntes. Un elemento no atiesado es una pieza proyectante con un borde libre, paralelo a la dirección de la fuerza de compresión, en tanto que un elemento atiesado está soportado a lo largo de los dos bordes en esa dirección. Dependiendo de la relación ancho-espesor de los elementos y de sí éstos están atiesados o no, los elementos se pandearán bajo diferentes condiciones de esfuerzo. Para establecer estos límites, el AISC-LRFD clasifica a los miembros en secciones compactas, secciones no compactas y elementos esbeltos a compresión.
Secciones compactas. Es aquella con un perfil lo suficientemente fuerte para que sea capaz de desarrollar una distribución total de esfuerzos plásticos antes de pandearse. El término plástico significa que en toda la sección tiene presente el esfuerzo de fluencia y se estudiará en el capítulo 4 de estos apuntes. Para que un elemento se clasifique como compacto, sus patines deben estar conectados en el alma o almas en forma continua y las relaciones ancho espesor de sus elementos a compresión deben ser mayores que los valores λp dados en la tabla 1-3. Secciones no compactas. Es aquella en la que el esfuerzo de fluencia puede alcanzarse en algunos, pero no en todos sus elementos a compresión antes de que ocurra el pandeo; no es capaz de alcanzar una distribución plástica de esfuerzos total. Las secciones no compactan son aquellas con relaciones anchoespesor mayores que λp pero menores que λr. Elementos esbeltos a compresión. Estos elementos tienen relaciones anchoespesor mayor que λr y se pandearán elásticamente antes de que se alcance el esfuerzo de fluencia en cualquier parte de la sección. Para estos elementos es necesario considerar resistencias al pandeo elástico La industria de la construcción ha estandarizado ciertos elementos de acero con formas y propiedades conocidas para facilitar a calculistas, productores y constructores hablar un lenguaje común. Algunos de los más empleados se aprecian en la figura
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Los perfiles que aparecen con doble trazo pueden ser laminados en caliente o ensamblados. Los primeros se obtienen al calentar la materia prima, denominada palanquilla, y que consiste en grandes bloques de acero, hasta hacerla fluir para darle la forma correspondiente. Los segundos, es decir los perfiles ensamblados, se obtienen a partir de láminas que se sueldan entre sí. De esta última forma se han producido en el país los perfiles más pesados, dado que la producción de perfiles laminados en caliente se ha limitado principalmente a ángulos y a otros de bajo peso. ¿Qué diferencia existe en el comportamiento estructural entre los perfiles laminados en caliente y los ensamblados? La diferencia estriba en los esfuerzos residuales, resultantes del proceso de enfriamiento. En las zonas más internas de la sección el material tardará más en enfriarse. Cuando esto finalmente ocurra y por lo tanto tienda a contraerse, otras zonas de la sección previamente enfriadas y endurecidas se opondrán a esa contracción, generando así esfuerzos internos, denominados esfuerzos residuales. . Las propiedades geométricas de los perfiles pueden obtenerse de las tablas que suministran los fabricantes. Los perfiles W o similares, los perfiles WT y las canales suelen denominarse con dos números; el primero indica su altura y el segundo su peso por unidad de longitud. Por ejemplo, la designación del AISC (Manual de construcción en acero) W 10 X 45 indica que se trata de un perfil W de altura aproximada 10" y de peso 45 lb/pie. Las dimensiones de las diferentes partes de una sección WT se indican en la figura, junto con los símbolos que las designan.
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A continuación, se presentan los términos más empleados y su significado.
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Aleta: nombre que se le da a las partes exteriores de los perfiles W, WT, C, Z, y a los lados de los ángulos. Alma: parte de un perfil que une las aletas. Alma llena: se refiere a los elementos estructurales que presentan una unión continua entre las diferentes partes de la sección transversal. Atiesador: pletina que rigidiza una sección W para que no experimente pandeo local por el efecto de fuerzas puntuales provenientes de cargas aplicadas o de la aplicación de un par de fuerzas en las conexiones a momento.
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Correa: elemento estructural de una cubierta que da apoyo directamente a la teja. Puede estar constituida por barras (varillas y ángulos) en celosía, o por perfiles de alma llena como los W, C, o Z. Estos últimos son particularmente apropiados para tal efecto, sean de lámina delgada o laminados en caliente. Celosía: se refiere a las estructuras compuestas de barras esbeltas que delimitan espacios triangulares. Cercha: conjunto de barras que conforman una estructura en celosía, cuyos cordones superior e inferior no son paralelos y cuyos apoyos son de primer o segundo género, pero nunca de empotramiento. Contraviento: elemento que da rigidez lateral a las cerchas para que estas no se desplacen por efecto de cargas horizontales. Por ser tan esbelto trabaja únicamente a tracción, lo que obliga a que se dispongan contravientos para impedir el movimiento en ambos sentidos. Cordón: conjunto de barras alineadas de una cercha, generalmente sometidas al mismo tipo de esfuerzos y constituidas por un mismo perfil estructural.
Diagonal: elemento no vertical que va entre los cordones superior e inferior de una cercha. Paral: elemento vertical que va entre los cordones superior e inferior de una cercha. Platabanda: pletina que se fija a la aleta de un perfil con el fin de aumentarle su resistencia. Pendolón: elemento secundario utilizado para evitar que un tensor se deflecte por su propio peso. Riostra: elemento estructural que restringe el pandeo lateral de otro. Puede ser solicitado tanto por compresión como por tracción.
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Separador: elemento que se usa para conectar entre sí los ángulos individuales para que trabajen como un solo elemento. Templete: elemento secundario que trabaja a tracción e impide la deformación de las correas en su eje débil y sirve para alinear las mismas en el proceso de construcción. Esfuerzo: reacción en las partículas elementales de un cuerpo ante las fuerzas externas que tienden a deformarlo. Se expresa en unidades de fuerza sobre área. Corresponde al término esfuerzo según se emplea en la NSR-98. Tensor: elemento de una cercha muy esbelto solicitado por tracción. Tracción: solicitación hecha a un miembro por la acción de fuerzas que tienden a estirarlo. Vigueta: elemento estructural que recibe las cargas verticales del entrepiso y las transmite a las vigas principales.
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El diseño estructural abarca la determinación de un sistema de resistencia idóneo que cuando se vea sometido a las diversas cargas que puedan actuar sobre la construcción civil, mantenga las características de seguridad y funcionalidad. Se puede afirmar que es seguro cuando se ha tenido en cuenta no sólo las cargas que cotidianamente actuarán sobre la edificación sino las que sean producto de sucesos con un período de recurrencia muy alto, como los sismos, vientos de muy alta velocidad, o cargas verticales muy superiores a las esperadas; para todas éstas, se han considerado cabalmente las solicitaciones que resultarán en cada uno de los miembros y sus conexiones. No se trata solamente de evitar el colapso sino también de evitar que, debido a las deformaciones producidas por un sismo de diseño, se deterioren los cerramientos exteriores e interiores y las instalaciones eléctricas, mecánicas, de comunicaciones, hidráulicas y sanitarias, cuyo costo de reposición puede representar hasta el 70% de toda la obra. Además, de nada valdría que los elementos principales no se cayeran si en un sismo los elementos no estructurales se desplomaran sobre los ocupantes. El concepto de seguridad incluye que aun cuando se presente la falla, esta sea de tal naturaleza que se advierta a tiempo para preservar la vida de las personas. El sistema estructural será funcional cuando, además de ser seguro, resulte cómodo para los usuarios; esto es, que bajo la acción de las cargas normales no presente vibraciones incómodas ni deflexiones muy grandes que deterioren los acabados arquitectónicos. Se han desarrollado diversos métodos para lograr tales fines, dos de los cuales se explicarán brevemente a continuación: el método de esfuerzos admisibles (ASD Allowed Stress Design), y el método de coeficientes de carga y resistencia (LRFD por sus siglas en inglés).
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IV.
MÉTODO LRFD (DISEÑO POR FACTORES DE CARGA Y RESISTENCIA) El diseño con factores de carga y resistencia se basa en los conceptos de estados límite. El término de estado límite se utiliza para describir una condición en la que una estructura o parte de ella deja de cumplir su función predeterminada. Existen dos tipos de estado límite: los de resistencia y los de servicio. Los primeros se basan en la seguridad o capacidad de carga de las estructuras e incluyen resistencias plásticas, de pandeo, de fractura, de fatiga, de volteo, etc. Los segundos se refieren al comportamiento de las estructuras bajo cargas normales de servicio y tiene que ver con aspectos asociados con el uso y ocupación, tales como flechas excesivas, deslizamientos, vibraciones, etc.
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La estructura no solo debe ser capaz de resistir las cargas de diseño sino también las de servicio en forma tal, que se cumplan los requisitos de los usuarios de ella. Las especificaciones del LRFD se concentran en requisitos muy específicos relativos a los estados límite de resistencia y permiten cierta “libertad” en el área de servicio. En este método, las cargas de trabajo o servicio, Qi, se multiplican por factores de carga o “de seguridad”, λi, que son casi siempre mayores de 1 y se obtienen las cargas últimas o factorizadas. La estructura se proporciona para que tenga una resistencia última de diseño suficiente para soportar las cargas factorizadas. Esta resistencia se considera igual a la resistencia teórica o nominal, Rn, del miembro estructural, multiplicada por un factor de resistencia φ, que es normalmente menor que 1. Con este factor, se intenta tomar en cuenta las incertidumbres relativas a resistencia de los materiales, dimensiones y mano de obra, etc. En pocas palabras, para un miembro particular se debe cumplir que
4.1.
Factores de Carga
El propósito de los factores de carga es incrementar las cargas para tomar en cuenta las incertidumbres implicadas al estimar las magnitudes de las cargas vivas, muertas y accidentales durante la vida útil de la estructura. El AISC-LRFD tiene las siguientes combinaciones de carga: U representa la carga última; D son las cargas muertas; L son las cargas vivas; Lr son las cargas vivas en techos; S son las cargas de nieve; R son las cargas por lluvia, granizo o hielo, sin incluir el encharcamiento; W son las cargas de viento y E son las cargas sísmicas. a) U = 1.4D b) U = 1.2D + 1.6L + 0.5(Lr o S o R) Si se consideran las fuerzas de viento o sismo: c) U = 1.2D + 1.6(Lr o s o R) + (0.5L o 0.8W) d) U = 1.2D + 1.3W + 0.5L + 0.5(Lr o s o R) e) U = 1.2D + 1.5E + (0.5L o 0.2S) Para considerar el posible efecto de volteo: f) U = 0.9D – (1.3W o 1.5E)
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4.2.
Factores de Resistencia
Para estimar con “precisión” la resistencia última de una estructura, es necesario tomar en cuenta las incertidumbres que se tiene en la resistencia de los materiales, en las dimensiones, en la mano de obra, etc. Algunas de las incertidumbres que afectan a estos factores son: a) La resistencia de los materiales puede variar inicialmente en forma considerable respecto a los valores supuestos y la variación será mayor con el paso del tiempo debido al flujo plástico, a la corrosión y a la fatiga. b) b) Los métodos de análisis están sujetos con frecuencia a errores apreciables o no se tiene un criterio definido para la estructuración. c) c) Los fenómenos naturales como sismos, huracanes, tornados, etc., causan condiciones difíciles de predecir. d) d) Las incertidumbres durante el proceso constructivo, así como el maltrato que puedan recibir las estructuras durante la fabricación y montaje. Las cargas constructivas pocas veces consideradas en los análisis de cargas, etc. e) e) Las cargas muertas de una estructura pueden estimarse con bastante exactitud, pero no así las cargas vivas. f) f) Otras incertidumbres son la presencia de esfuerzos residuales y concentraciones de esfuerzos, variaciones en las dimensiones de las secciones, etc.
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V.
MÉTODO DE ESFUERZOS ADMISIBLES
Por mucho tiempo se empleó el método de esfuerzos admisibles, en el cual el calculista divide la resistencia nominal de un elemento por un factor de seguridad, y la compara con la resistencia requerida por la acción de las cargas de trabajo, es decir, las cargas máximas esperadas en la estructura sin mayorarlas. Todavía este procedimiento es válido y se contempla en el capítulo F4 de la NSR-98. Este método puede representarse por la desigualdad:
D
(B.2.3-1)
D + L + (Lr o G)
(B.2.3-7)
D1 ±W
(B.2.3-3)
D1±0.7 E
(B.2.3-4)
(D + L+ (Lr o G) + W) *0,75
(B.2.3-8)
(D + L + (Lr o G) + 0.7 E) * 0,75
(B.2.3-9)ᴧ2
Donde: D = Carga muerta L = Carga viva de ocupación Lr = Carga viva de cubierta W = Carga de viento E = Fuerzas sísmicas reducidas por el coeficiente de capacidad de energía R.(B.2.3.2) G = Carga a lluvia granizo Como los debida diferentes tiposy de cargas no tiene el mismo índice de variabilidad no es posible tener en este método un grado de confianza uniforme. En el método con factores de carga y resistencia se busca tener más uniformidad en el grado de confianza; es decir, que la relación entre la resistencia de diseño y la requerida sea la misma para dos estructuras cuyos tipos predominantes de cargas sean diferentes.
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Este método puede ser representado por la fórmula:
El lado izquierdo es la resistencia requerida y es el producto de diversos tipos de cargas Qi multiplicados por los coeficientes de carga i, de acuerdo con las combinaciones de carga establecidas en B.2.5, a saber:
1,4 D
(B.2.5-1)
1,2 D + 1,6 L + 0,5 (Lr o G)
(B.2.5-2)
1,2 D + 1,6 (Lr o G) + (0,5 L o 0,8 W)
(B.2.5-3)
1,2 D + 1,3 W + 0,5 L + 0,5 (Lr o G)
(B.2.5-4)ᴧ3
(B.2.5-5)ᴧ3, 4
1,2 D ± 1,0 E + 0,5 L + 0,2 G
0,9 D ± (1,3W o 1,0E)
(B.2.5-6)
El lado derecho de la ecuación anterior es la resistencia de diseño determinada para un estado límite; deberá ser revisado que se satisfaga para todos los estados límite aplicable, los cuales pueden ser de resistencia y de servicio. Los estados límite de resistencia se refieren a la seguridad y a la capacidad de carga, entre los que se pueden mencionar: fluencia en la sección total de un elemento a tracción, rotura en su sección neta efectiva, pandeo flector de un elemento a compresión, momento plástico de un elemento a flexión, falla por fatiga, volcamiento de la estructura, etc. Los estados límite de servicio tienen que ver con el comportamiento bajo cargas normales de servicio, como las deflexiones de una viga y la resistencia al deslizamiento en una junta tipo deslizamiento crítico. Aunque estos no tienen que ver con la seguridad, su verificación es fundamental para garantizar la funcionalidad de la edificación. Los coeficientes de carga que aparecen en las expresiones B.2.51 a B.2.5-6 son el producto de un estudio estadístico realizado por el Subcomité A-58 de Factores de Carga del American National Standards Institute (ANSI). Estas combinaciones están basadas en la suposición de que en un momento dado solo un tipo de carga alcanzará su valor máximo esperado en 50 años y las demás estarán en un valor medio
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Comentad o [GVB1]:
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Los coeficientes de resistencia φ reflejan la mayor o menor variabilidad en el comportamiento de los elementos a distintas solicitaciones. Algunos de ellos son los siguientes:
φ t = 0,90 φ t = 0,75 φ c = 0,85 φ b = 0,90 φ v = 0,90
para fluencia por tracción para rotura por tracción para compresión para flexión para fluencia por cortante
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VI.
DISEÑO DE ELEMENTOS SOMETIDOS A TRACCIÓN
El diseño por el método de coeficientes de carga y resistencia se basa en hacer las provisiones necesarias para satisfacer, para todos los estados límite aplicable, la expresión:
La NSR-98 en su artículo F.2.4.1 establece, para el caso de los elementos a tracción, que son aplicables los siguientes dos estados límite y sus resistencias de diseño:
Fluencia en el área bruta: φRn = 0,9*(Fy.Ag) Fractura en el área neta efectiva: Rn = 0,75*(Fu.Ae) Donde: Ag = área bruta o total del miembro a tracción Ae = área neta efectiva del miembro a tracción
El primer estado límite aplica a la posibilidad de que la carga axial sea tal que el esfuerzo producido en las fibras de la sección total iguale al de fluencia, con lo cual las deformaciones serán excesivas y podría presentarse el colapso de la estructura. Según NSR F.2.2.2 el área neta "An" de un miembro es la suma de los productos de los espesores por el ancho neto de cada elemento. El ancho neto es el resultado de descontar del ancho total los diámetros de las perforaciones que se hallen en la sección crítica, o más débil, incrementándolos en 2 mm para efectos de tener en cuenta el debilitamiento que eventualmente pudo haber sufrido el material al momento de practicarse la perforación. El área neta puede calcularse con la siguiente fórmula:
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Donde: dp = Diámetro de la perforación5, mm t = Espesor del miembro, mm El área neta efectiva "Ae" se refiere a la parte del miembro que está comprometida en desarrollar esfuerzos en las conexiones de extremo, es decir, en donde la fuerza se transmite de un elemento estructural a otro. Como se sabe, un elemento estructural puede tener una o varias partes en su sección transversal. Si cada una de ellas está directamente conectada por medio de tornillos o soldaduras, se considerará que todas ellas están aportando a la resistencia y por lo tanto el área neta efectiva será igual al área neta. (NSR, F.2.2.3 (1)) Cuando la carga se transmite por medio de pernos a través de parte, pero no de todos los elementos de la sección transversal del perfil, se considera que no en todas las fibras de la sección se alcanzan a desarrollar esfuerzos y por lo tanto no aportan a la resistencia, fenómeno denominado retraso de cortante. En este caso el área neta efectiva se calcula con la ecuación
Donde: U = 1 - (x'/L) ≤ 0,9 = Coeficiente de reducción x' = Excentricidad de la conexión L = Longitud de la conexión en la dirección de la carga, mm Cuando la carga se transmite por medio de soldaduras a través de algunos, pero no de todos los elementos de la sección transversal del perfil, el área neta efectiva, Ae se calcula con la Ecuación:
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Los valores de A y de U varían según aplique uno de estos tres casos:
A = Ag cuando se usan soldaduras longitudinales (en la dirección de la carga) solas o en combinación con soldaduras transversales. A = área de los elementos conectados directamente cuando se usan únicamente soldaduras transversales. Se hace U = 1 A = área de la platina cuando la carga a tracción se transmite a una pletina por medio de soldaduras longitudinales a lo largo de ambos bordes en los extremos de la misma. La longitud de la soldadura no debe ser inferior al ancho de la pletina y el valor de U varía de 0,75 a 1.00 Ejemplo Se desea diseñar el cordón inferior de la cercha mostrada en la figura 2.1. La combinación de cargas crítica arrojó una carga última de tracción Pu = 100 kN para su tramo central (BC). Se usará acero calidad ASTM A-36. El elemento estructural estar€ constituido por dos ángulos. Use tornillos de 1/2" para conectarlos entre sí.
Solución Al analizar el estado límite de fluencia en la sección total se obtiene el área bruta requerida: Pu = φRn Pu = 0,9*Ag*Fy Ag = Pu / (0.9*Fy) Ag req= 448 mm2
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2 2
Área que puede suministrarse con 2 ángulos: 2L 1 1/2" x 1/8 " Ag sum= 464 mm2 rx = 11,9 mm rz = 7,6 mm
Chequeo de relación de esbeltez: (kL/r)máx = (kL/r)x = 336 ≤ 300
FALSO
Se verifica para 2 ángulos: 2L 2" x 3/16 " Ag sum = 914 mm2 rx = 15,7 mm rz=9,9 mm
Chequeo de relación de esbeltez: (kL/r)máx = (kL/r)x = 255≤300
VERDADERO
Distancia máxima entre separadores: (kL/r) z máx = 300 Lz máx = 2970 USE SEPARADORES A L/2. Verificación del estado límite de fractura en la sección neta: An = Ag - ∑ (dp + 2)*t dp = 14,3 mm t = 4,8 mm An = 758 mm2 Pu = φRn Pu = 0,75*An*Fu Pu = 227 KN > 100 kN VERDADERO
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VII.
DISEÑO DE UNIONES SIMPLES
Tan importante como diseñar los elementos individuales para que resistan los efectos producidos por las cargas máximas esperadas durante la vida útil, es que esos efectos puedan sertrasmitidos desde el punto de aplicación de las cargas hasta la cimentación de la estructura. Sólo así se puede concebir la estructura como un todo unido. Por lo tanto, las uniones juegan un papel clave en el buen comportamiento de la obra. De hecho, estructuras grandes han colapsado por fallas en pequeños elementos de unión, aun cuando los elementos principales mismos estaban bien dimensionados. Esos efectos pueden ser fuerzas axiales (de compresión o de tracción), fuerzas cortantes, momentos flectores y torsores. Se transmitirán de un elemento a otro en la medida en que en su unión se hagan las provisiones necesarias para impedir el movimiento que tales efectos tratan de producir. Actualmente para unir dos o más perfiles metálicos se usa principalmente tornillos o soldadura. En el pasado se usaron frecuentemente los remaches, pero debido a sus inconvenientes en el montaje y al desarrollo de tornillos de alta resistencia, han sido reemplazados por estos últimos.
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En la figura se muestran las partes de un tornillo. Como se ve se trata de un vástago roscado de cabeza generalmente hexagonal. Su rosca puede o no subir hasta la cabeza. Las arandelas Permiten que haya una mayor área de contacto entre el tornillo y las piezas a unir; su uso resulta imperioso cuando las perforaciones no son estándar. Adicionalmente se pueden usar arandelas de seguridad (washers) para evitar que las tuercas se aflojen. La longitud del tornillo deberá superar el espesor de las piezas a unir (grip) más una longitud mínima que depende de su diámetro y corresponde a los espesores de las arandelas, la tuerca y una porción de rosca que debe sobresalir después de apretada la tuerca (mínimo 6mm).
De acuerdo con la manera en que se trasmiten las fuerzas, las uniones atornilladas simples pueden ser de dos tipos: aplastamiento y deslizamiento crítico. En las primeras, la fuerza se transmite por contacto directo entre los tornillos y las paredes de la perforación, lo que resulta en esfuerzos de cortante en los mismos; en las segundas, las fuerzas se transmiten por fricción entre las piezas que se están uniendo, para lo cual se requiere desarrollar en los tornillos una tracción equivalente al 70% de la resistencia mínima especificada a la tracción (Fu)
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7.1.
Fluencia en el área bruta de los elementos conectados
Se caracteriza por una gran deformación antes de la rotura. Dada la naturaleza dúctil de este tipo de falla debe ser el que gobierna en las uniones del sistema de resistencia sísmico de una edificación. Esto significa que en caso de que se sobrepasen las solicitaciones máximas esperadas correspondientes a la carga última mayorada, este tipo de falla se presentará antes de que se alcancen los restantes estados límite. 7.2.
Fractura en la sección neta efectiva de los elementos conectados
Se caracteriza por su comportamiento frágil, o de falla súbita. En la figura siguiente se muestra una probeta marcada con el número 4, que experimentó este tipo de falla.
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7.3.
Falla por Desgarramiento
Este tipo de falla se presenta cuando no se respetan ciertas distancias mínimas entre las perforaciones y los bordes Dada la cercanía de la perforación al borde, en la sección transversal del elemento conectado no se alcanzan a desarrollar esfuerzos y la falla se presenta por deformación y corte de la zona aledaña a la perforación. Esta falla se ilustra bien en la siguiente figura, que se muestra en una probeta con la pequeña porción desgarrada.
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VIII.
SOLDADURAS: La soldadura es un proceso en el que se unen partes metálicas mediante el calentamiento de sus superficies para llevarlas a un estado plástico, lo que permite que las partes fluyan y se unan con o sin la adición de otro material fundido. En las soldaduras propias de las estructuras metálicas el calentamiento se produce por la acción de un arco eléctrico inducido entre las superficies de las piezas metálicas a unir y un electrodo que se aproxima a la junta y que al fundirse proporciona el metal de aporte. En la operación debe protegerse de la oxidación al acero en estado fluido, esto se logra de diversas maneras, eso depende del proceso que se emplee, entre los principales procesos están: 8.1.
SMAW (Shield Metal Arc Welding). Involucra el uso de electrodos revestivos de aplicación manual. Estos vienen en barras de corta longitud por lo que el proceso se ve interrumpido cada vez que el operario desecha la colilla y la reemplaza por otra nueva, generando así la posibilidad de creación de poros en el cordón de soldadura y gran desperdicio.
8.2.
GMAW (Gas Metal Arc Welding). En este proceso el electrodo viene sin recubrimiento y en rollos, lo que permite que su aplicación sea continua, de mayor rendimiento y menor desperdicio. La protección se logra aplicando un gas inerte como argón o CO2. En este proceso no queda escoria. No obstante, es sensible a la presencia de corrientes de aire, por lo que no se usa en soldaduras de campo sino en el taller, donde se puede tener control de las condiciones atmosféricas.
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8.3.
SAW (Submerged Arc Welding). Se trata de un proceso industrial que permite aplicar cordones de gran longitud y tamaño con bajo desperdicio y excelente calidad. El electrodo que se usa viene en rollos. Se protege la unión de la oxidacióncon la aplicación de un material granular reutilizable que se deposita automáticamente a medida que se va elaborando la conexión.
8.4.
FCAW (Flush Cored Arc Welding). Se caracteriza por tener el fundente dentro del electrodo tubular. Su velocidad de aplicación es muy alta por lo que el costo de mano de obra es bajo.
8.5.
SOLDADURAS ACANALADAS
Su característica principal es que no presentan excentricidad entre las fuerzas que se hallan a cada lado de la unión.
Las partes a unir pueden no tener ninguna preparación (espesores hasta 5/16"), o biseles sencillos o dobles que facilitan la penetración de la soldadura para espesores mayores. Si bien se permite que la soldadura no llene todo el espacio de la junta (penetración parcial) es más frecuente y recomendable que se alcance la penetración completa. En este caso, el diseño de la soldadura como tal se limita a especificar la compatibilidad del electrodo con el metal base. 8.6.
OLDADURAS DE FILETE
Son las que se aplican por un lado del elemento a conectar y por lo tanto resultan en una excentricidad entre la fuerza aplicada por ese elemento y la reacción en el elemento de apoyo. Su diseño depende del tamaño del cordón y de la resistencia del metal de aporte (electrodo).
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8.7.
SOLDADURAS DE TAPON DE RANURA Son conectores formados al rellenar un agujero (de tapón) o una ranura con metal de aporte. El área efectiva para resistir cortante es el área nominal del agujero o de la ranura en el plano de la superficie de contacto.
Dependiendo de la posición relativa de los elementos a unir las juntas reciben diversos nombres, como se puede apreciar en la figura:
Un factor muy importante que tiene gran incidencia en el grado de dificultad de construcción de una junta soldada es su posición.
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IX.
DISEÑO DE ELEMENTOS SOMETIDOS A COMPRESIÓN
Se trata de aquellas cuyos miembros están solicitados únicamente por fuerzas axiales (tracción y compresión) como estructuras de celosía en las que las cargas están aplicadas sólo en los nudos. Puede servir de motivación también para introducirse en este tema, el saber que es más probable que el colapso de tales estructuras se inicie en un miembro a compresión y no en uno a tracción.
El fenómeno que marca la diferencia entre estos dos tipos de acciones es el pandeo. Mientras que un miembro que es sometido a tracción tiende a enderezarse, en uno a compresión puede ocurrir un doblamiento de alguno de los elementos de su sección transversal, o de todo el miembro, con lo que se limita su resistencia a un valor inferior al punto de fluencia. Los diversos tipos de pandeos constituyen los estados límite a revisar; a saber: pandeo local, pandeo flector y pandeo flexo-torsor.
La forma de la sección transversal del miembro viene a ser determinante. De acuerdo con las relaciones ancho-espesor de sus diferentes partes los miembros metálicos se dividen en tres categorías: Secciones compactas: son aquellas cuyas relaciones ancho-espesor son menores o iguales a λp. Estas secciones son lo suficientemente robustas para permitir la plastificación total. Secciones no compactas: sus relaciones ancho espesor son mayores que λp pero menores o iguales que λr. Al ser sometidas a compresión se alcanzará el punto de fluencia en parte de la sección, pero se pandeará antes de la plastificación total. Secciones con elementos esbeltos: alguno de los elementos de la seccón transversal tiene una relación ancho espesor superior a λr. El pandeo local ocurrirá antes de que se alcance el punto de fluencia.
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X.
DISEÑO DE ELEMENTOS SOMETIDOS A FLEXIÓN Y CORTE
Ese tipo de elementos, llamados a veces elementos a dos fuerzas porque en un diagrama de cuerpo libre sólo aparecen las fuerzas axiales de los extremos, son los que se encuentran en las cerchas, las cuales se caracterizan por recibir las cargas únicamente en los nudos. Sin embargo, las cargas que se aplican a las estructuras normalmente no se aplican en un solo punto sino en una superficie por lo que se requiere otro tipo de elementos que puedan recibir cargas transversales y por lo tanto resistir momentos flectores y fuerzas cortantes. Ahora se presentan los conceptos fundamentales para diseñar tales miembros entre los que se pueden mencionar los siguientes: Las correas de un sistema de cubierta, que reciben directamente el peso de las tejas y a través de éstas las cargas vivas, de granizo y de viento. La carga aplicada a las correas tiene dos componentes: una paralela a la cubierta y la otra perpendicular a la misma, por lo que se trata de un caso de flexión biaxial. Las vigas y viguetas que dan soporte a un sistema de entrepiso Las vigas- columnas que han de soportar simultáneamente fuerzas de compresión y momentos flectores, si bien el efecto combinado de las dos solicitaciones. La casi totalidad de los perfiles laminados usados como vigas son de sección compacta, es decir, sus relaciones ancho-espesor son menores que p, por lo que los estados de pandeo local no aplican; quedan, así como objeto de particular atención los estados límite de fluencia y de pandeo lateral con torsión. La posibilidad de que se presente uno u otro de los dos estados límite mencionados al final del párrafo anterior dependerá de la longitud sin soporte lateral de la viga, que se denomina Lb, y cuyo significado se pasa a explicar. Independientemente de la luz salvada por una viga y de los tipos de apoyos que tenga, su comportamiento se verá afectado por las restricciones que existan al movimiento lateral. Una condición posible es que la viga se halle confinada lateralmente por la losa de concreto que soporta, cuya rigidez en su propio plano es muy alta, y que por lo tanto restrinja completamente los movimientos laterales de la viga, es decir, que su longitud sin soporte lateral sea nula: Lb = 0. Otro caso que puede darse es que la viga no tenga ningún soporte lateral, es decir que la longitud sin soporte lateral sea igual a la longitud de la viga: Lb = L, siendo L la distancia salvada por la viga.
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Por último, pueden darse situaciones intermedias a las anteriores cuando a lo largo de la viga existen una o varias riostras que impiden su pandeo lateral. Estas diversas situaciones se ilustran en la figura siguiente:
Si Lb = 0 están dadas las condiciones para que no aplique el estado límite de pandeo lateral con torsión; únicamente ha de revisarse el de fluencia. Este consiste en la plastificación total de la sección; todas las fibras de la sección transversal alcanzan el punto de fluencia, el Mn es el momento plástico y el momento de diseño es:
Esta resistencia a la flexión también corresponde al caso en que la longitud sin soporte lateral es diferente de cero, pero no mayor que la longitud Lp, la cual representa el límite hasta el cual pueden distanciarse los soportes laterales sin que sea relevante el estado límite de pandeo lateral con torsión. Otra posible condición de confinamiento lateral es que la distancia entre apoyos laterales sea la justa para que el Mn corresponda al del inicio de la fluencia, es decir, que se alcance el punto de fluencia en la fibra más alejada del eje neutro y entonces ocurra el pandeo lateral con torsión, que consiste en una gran deformación con componentes de desplazamiento y giro que limita la capacidad de recibir carga adicional
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Donde: Sx = módulo de la sección respecto al eje mayor, mm3 FL = Fy - Fr Fr = esfuerzo residual de compresión en la aleta; 70 MPa para perfiles laminados, 115 MPa para perfiles soldados
Ejemplo: Diseñe una vigueta de acero ASTM A 36 en sección simple para hacer parte de un sistema de entrepiso que será usado como depósito de libros. Las viguetas brindaron apoyo a una losa de concreto vaciada sobre láminas de acero plegadas de 2" de altura fabricadas en calibre 22, que a su vez brindaron soporte lateral a las viguetas. La altura total de la losa estructural será de 100 mm. Además, se da la siguiente información:
Luz de la vigueta: 7,5 m Distancia entre viguetas: 2,0 m Carga viva: 5,00 kN/m2 Carga de acabado de piso: 0,66 kN/m2 Carga de cielo raso de yeso: 0,25 kN/m2 Carga de divisiones interiores: 1,50 kN/m2 Desarrollo
A. Análisis estructural Carga muerta Peso losa: 1,83 kN/m2 * 2 m = 3,66 kN/m Peso acabado piso: 0,66 kN/m2 * 2 m = 1,32 kN/m Peso cielo raso: 0,25 kN/m2 * 2 m = 0,50 kN/m Peso divisiones: 1,50 kN/m2 * 2 m = 3,00 kN/m Total, carga muerta D = 8,48 kN/m Carga viva L = 5,00 kN/m2 * 2 m = 10,00 kN/m Carga de diseño: wu = 1.2 D + 1.6 L = 26,20 kN/m = 1,795 kip/ft
Momento requerido:
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Mu= 184,2 kN * m Mu= 135,8 kip*ft Cortante requerido:
Vu=
22,08 kip
B. Selección del perfil Dado que hay soporte lateral total (Lb = 0) se puede contar con que el momento de diseño será: φbMn = 0,9 Mp. Por lo tanto, se puede calcular el módulo de sección plástico requerido con la siguiente ecuación:
Zeq= 825269 mm3 =50,36 in3 C. Revisión por cortante Del manual del AISC se obtiene el valor de la relación ancho espesor para el alma del perfil W 16 X 31, h/tw = 51.6 Para:
Como:
El área resistente a cortante es el área del alma: Aw = d * t w Del manual del AISC
Finalmente:
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D. Revisión por deflexión La deflexión de esta viga simplemente apoyada sometida a la carga viva de servicio es:
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XI.
DISEÑO DE ESTRUCTURAS METALICAS UTILIZANDO SAP2000
SAP2000 es un programa desarrollado por la empresa CSI, Computer and Structures, Inc. En Berkeley, California, EEUU. Se presenta en varias versiones (Standard, Plus y Advanced). Desde hace más de 30 años ha estado en continuo desarrollo, para brindarle al ingeniero una herramienta confiable, sofisticada y fácil de usar sobre la base de una poderosa e intuitiva interfaz gráfica con procedimientos de modelaje, análisis y diseño estructural a la vanguardia a nivel mundial.
Este programa posee un poderoso diseño en acero, concreto y aluminio completamente integrado, todos disponibles desde la misma interfaz usada para modelar y analizar el modelo. El diseño de miembros de acero y aluminio permite el predimensionado inicial y una optimización interactiva, y el diseño de elementos de concreto incluye el cálculo de la cantidad de acero de refuerzo requerido, considerando incluso un nivel de diseño sismorresistente. El diseño en general, se realiza a través de la aplicación códigos internacionales actualizados.
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11.1.
GUÍA DEL USUARIO EN SAP 2000.
11.1.1. Pantalla Inicial. Al entrar al programa se nos presenta una pantalla de fondo negro con dos ventanas separadas verticalmente. Allí en la parte inferior derecha se despliega un menú con las unidades a utilizar en la generación del modelo estructural, mientras que en la parte superior izquierda se encuentra activo el menú File donde se puede abrir o importar un modelo existente, o bien, generar un nuevo modelo. Por otra parte, en la parte superior se encuentra el menú Help
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11.1.1.1. Lista General de Menú en pantalla
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11.1.1.2. Descripción de Iconos en Pantalla
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11.1.2. Menú File: Archivos
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11.1.2.1. NEW MODEL INITIALIZATION Al seleccionar la opción “New Model” se nos presentan las diferentes estructuras predeterminadas.
Initialize Model from Default with Units: Iniciar un Modelo con las unidades seleccionadas Initialize Model from an Existing Model: Iniciar un Modelo a partir de uno Existente con sus unidades, definiciones y preferencias.
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11.1.2.1.1. Select Template: Seleccionar Modelos Predeterminados
11.1.2.1.2. Opción Blank Se nos presenta la pantalla divida verticalmente sin ningún tipo de definiciones.
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Esta opción es muy útil y recomendable si se quiere importar un modelo donde se tienen todas las definiciones preestablecidas incluyendo las líneas de Grid que funcionan como ejes referenciales en 3D. 11.1.2.1.3. Opción Grid Only Al entrar se nos presenta una ventana donde se pueden definir las líneas de Grid para un Sistema de Coordenada Cartesiano o Cilíndrico
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11.1.2.1.4. Opción Beam Al entrar se nos presenta una ventana donde se puede definir el número de tramos, longitud de los tramos, la sección de la Viga, Restricciones y las líneas de Grid.
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11.1.2.1.5. Opción 2D Trusses: Al entrar se nos presenta una ventana donde se puede elegir entre tres tipos de Armaduras Planas. En cada caso se especifica el Número de Divisiones, Longitud de las Divisiones, Alturas, Secciones, Restricciones y las Líneas de Grid.
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11.1.2.1.6. Opción 3D Trusses: Al entrar se nos presenta una ventana donde se puede elegir entre seis tipos de Armaduras Espaciales. En cada caso se especifica el Número de Divisiones o Tramos, Longitudes, Alturas, Secciones, Restricciones y las Líneas de Grid.
Number of Bays: Número de Tramos Span Length: Longitud de cada tramo Height: Altura
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Nota: a(H) y b(W) son factores de Longitud para la ubicación de las Diagonales.
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Nota: a(H) y b(W) son factores de Longitud para la ubicación de las Diagonales
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Nota: a(H) y b(W) son factores de Longitud para la ubicación de las Diagonales
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11.1.2.1.7. Opción 2D Frames: Al entrar se nos presenta una ventana donde se puede elegir entre tres tipos de Pórticos Planos. En cada caso se especifica el Número el Número de Pisos, Altura de Pisos, Número de vigas, Longitudes de los Tramos, Secciones, Restricciones y las Líneas de Grid.
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Number of Stories: Número de Pisos. Number of Bays: Número de Vigas. Story Height: Altura de Pisos. Bay Width: Longitud del Tramo.
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Number of Stories: Número de Pisos. Number of Bays: Número de Vigas. Story Height: Altura de Pisos. Bay Width: Longitud del Tramo.
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Number of Stories: Número de Pisos. Number of Bays: Número de Tramos. Story Height: Altura de Pisos. Bay Width: Longitud del Tramo. Gap Width: Longitud del “Eslabón”.
COBERTURAS
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11.1.2.1.8. Definición de líneas de Grid: Para definir distancias y/o aplicaciones particulares entre los grid (Ejes) en X e Y, se tiene el siguiente cuadro.
Grid ID: Identificación del Grid. Line Type: Permite definir el tipo de Eje. (Primary: Primario; Secondary: Secundario) Visibility: Permite definir si el grid se quiere mostrar en el modelo estructural. (Show: Mostrar; Hide: Ocultar) Bubble Loc: Permite cambiar la orientación del Eje. Bubble Size: Tamaño de los Ejes. Grid Color: Permite asignarle a cada Eje un color particular. Hide All Grid Lines: Ocultar todos los ejes. Blue To Grid Lines: Unir las líneas al Grid. Reorder Ordinates: Reordenar Coordenadas.
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11.1.2.1.9. Report Setup: Configuración de Reportes
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11.1.2.1.10.
Create Setup: Generar Reportes
11.1.2.1.11.
Advanced Report Writer: Escribir reporte Avanzado
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11.1.2.1.12.
Project Information: Información del proyecto
11.1.2.1.13.
Convert Lines to Areas: Convertir líneas a Áreas.
Ejemplo: Consideremos u n elemento lineal ubicado e n 3 D tal como se muestra e n la figura. Se selecciona dicho elemento, y luego seguimos la ruta: MENU EDIT / CONVERT LINES TO AREAS.
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11.1.2.1.14.
Elementos Curvo
Ejemplo: Consideremos un elemento lineal de directriz recta ubicado en el plano XY tal como se muestra en la figura. Se seleccionan dicho elemento, y luego seguimos la ruta: MENU EDIT / EDIT CURVED LINES ING. GUILLERMO VÁSQUEZ BARDALES
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11.1.3. Materiales
11.1.3.1. Add New Material Quick: Adicionar un nuevo material de forma rápida
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11.1.3.2. Add New Material: Adicionar un Nuevo Material
Si elegimos la Opción “Switch To Advanced Property Display” obtenemos lo siguiente:
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Al hacer click en “Modify/Show Material Properties” nos aparece un cuadro donde podemos agregar, copiar, modificar y/o borrar las propiedades particulares del material.
Seleccionando “Modify/Show Properties at Selected Temperature” entramos a u n cuadro donde podemos modificarlos parámetros correspondientes al ING. GUILLERMO VÁSQUEZ BARDALES
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material incluyendo los esfuerzos cedentes, esfuerzos últimos, temperatura, módulo de elasticidad, coeficiente de Poisson, peso por unidad de volumen, masa por unidad de volumen, propiedades avanzadas, etc.
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11.1.3.3. Section Properties: Propiedades de las Secciones.
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11.1.3.3.1. Frame Section: Sección para elementos de Pórticos (Vigas, Columnas, etc.)
Definir Secciones en Acero
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Sección Tipo: I/Wide Flange (Doble T)
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Sección Tipo: Channel Section (U)
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Sección Tipo: Tee (T)
Sección Tipo: Angle (L)
Sección Tipo: Double Angle (2L)
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Sección Tipo: Box Tube (Tubos Rectangulares)
Sección Tipo: Pipe (Tubos Circulares) ING. GUILLERMO VÁSQUEZ BARDALES
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Sección Tipo: Double Channel (Doble Canal)
Sección Tipo: Joist.
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Sección Tipo “Auto Select List”: Permite definir una lista de secciones a fin de realizar un diseño iterativo en Acero Estructural.
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11.1.4. Coordinate System/Grids: Sistemas de Coordenadas y Lìneas de Grid
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Si seleccionamos la opción “Convert to general Grid” y hacemos click en “Modify/ShowSystem” entramos a una ventana donde podemos redefinir las líneas de Grid o agregar otras a partir de coordenadas que dan la posibilidad de líneas en diagonal
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11.1.5. Joint Constraints: Restricciones en conjunto de juntas Tiene como aplicación establecer una Reducción de grados de libertad.
Constraint Body: Genera que todas sus juntas incluidas se muevan juntas como un cuerpo rígido tridimensional. Por definición, todos los grados de libertad en cada junta conectada participan. Sin embargo, el usuario puede seleccionar un set de grados de libertad que serían sometidos al constraint. Constraint Diaphragm: Genera que todas las juntas incluidas se muevan juntas como un diafragma plano que es rígido contra deformaciones de membrana. Efectivamente, todas las juntas se conectan entre sí por vínculos que son rígidos en el plano, pero no afectan la deformación fuera del plano (placa). Se aplica cuando en un plano los elementos que conforman la estructura poseen en conjunto una rigidez muy significativa en términos del modelo que se está analizando, obteniéndose un comportamiento general como cuerpo rígido en el plano, referido a un centro de masas. Constraint Plate: Genera que todas las juntas incluidas se muevan juntas como una placa que es rígida contra deformación de flexión. Efectivamente, todas las juntas se conectan entre sí por vínculos que son rígidos a flexión fuera del plano, pero que no afectan la deformación en el plano (membrana). Constraint Rod: Genera que todas las juntas incluidas se muevan juntas como una barra recta que es rígida contra deformación axial. Efectivamente, todas las juntas mantienen una distancia fija entre sí, en
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la dirección paralela al eje de la barra, pero la traslación normal al eje y todas las rotaciones no se ven afectadas. Constraint Beam: Genera que todas las juntas incluidas se muevan juntas como una viga recta que es rígida contra deformación a flexión. Efectivamente, todas las juntas se conectan entre sí por vínculos que son rígidos para deformación fuera del eje, pero no afectan las traslaciones a lo largo o la rotación sobre el eje Constraint Equal: Genera que todas las juntas incluidas se muevan juntas con el mismo desplazamiento para cada grado de libertad seleccionado, tomado en el sistema de coordenadas local del constraint. Los otros grados de libertad no son afectados. Constraint Local: Genera que todas las juntas incluidas se muevan juntas con el mismo desplazamiento para cada grado de libertad seleccionado, tomado en el sistema de coordenadas local separado de la junta. Los otros grados de libertad no son afectados. Constraint Weld: Permite conectar diferentes partes del modelo estructural que se define por separado utilizando mallas.
11.1.6. Load Patterns: Patrones de Carga
Nota: En este caso sólo se incorpora un factor multiplicador del peso propio igual o mayor a 1.00 en el caso “PP” t ipo DEAD. Los demás casos deben t ener “0” en el “ Self Weight Multiplier” para no contemplar el peso propio otra vez. Para el caso de carga SXE tipo QUAKE “Sismo Estático en X”, se tienen diversas opciones:
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User Loads (SXE-1): En esta opción se Aplican directamente las cargas por piso. User Coefficient (SXE-2): En esta opción se Aplican coeficientes para la carga sísmica estática. CASO 1: “User Loads”
CASO 2: “User Coefficient”:
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11.1.7. Load Cases: Casos de Carga
Ejemplo: Caso de carga permanente “CP”En este caso se incluye el patrón de carga SCP y PP.
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Ejemplo de Pandeo Consideremos una columna en Acero de sección Doble T modelada con elementos de área y empotrada en la base. Se aplica una carga unitaria a cada nodo de su extremo superior. Luego, se realiza un análisis de pandeo donde el programa nos reporta el factor de escala de la carga total introducida conforme a cada modo de pandeo, a fin obtener la carga crítica para cada caso.
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11.1.8. Load Combinations: Combinaciones de Carga
Si elegimos agregar una nueva combinación “Add New Combo”, obtenemos lo siguiente:
Tipos de Combinaciones: Linear Add: Todos los resultados de los casos o combinaciones se multiplican por su factor y se suman incluyendo su signo. Este tipo de combinación se utiliza para contemplar cargas gravitacionales, viento o sísmicas (espectros). Envelope: Se evalúa una envolvente de máximos y mínimos de los casos de carga o combinaciones definidos para cada resultado de los elementos y puntos. Los casos de carga que dan los máximos y mínimos son usados para esta combinación, por lo que el combo de cargas tiene ING. GUILLERMO VÁSQUEZ BARDALES
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dos valores para cada resultado de los elementos y puntos. Este tipo de combinación puede usarse para cargas móviles y cualquier otro caso de carga donde se requiera que la carga produzca la fuerza o esfuerzo máximo o mínimo. SRSS. Todos los resultados de los casos o combinaciones se suman aplicando la raíz cuadrada de los valores al cuadrado. Absolute Add. Todos los resultados de los casos o combinaciones se suman siempre de manera positiva. Range Add. Presenta un reporte “Máximo” proveniente de la suma de los valores máximos positivos que contribuyen (un caso con un valor Máximo Negativo no Contribuye). Por otra parte, presenta a su vez un reporte Mínimo negativo proveniente de la suma de los valores mínimos negativos (un caso con un valor Máximo Positivo no Contribuye). Si elegimos la Opción de “Add Default Design Combos” se nos presenta lo siguiente:
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11.1.9. Menú Draw: Dibujar
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11.1.9.1. Draw Frame/Cable/tendón: Dibujar elementos de pórtico “Frame”, cables y Guayas, a partir de dos puntos (Aplica para plantas, elevaciones y en 3D.
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11.1.9.2. Quick Draw Frame/Cable/Tendon: Dibujo rápido de elementos de pórtico “Frame”, cables y Guayas, en una región haciendo un click (Aplica para plantas, elevaciones y en 3D)
11.1.9.3. Quick Draw Secondary Beams: Dibujo rápido de Vigas Secundarias en una región (grid) haciendo un click (Aplica sólo para el Plano XY) Opción 1
Opción 2
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1 0 0
11.1.9.4. Quick Draw Braces: Dibujo rápido de Arriostramientos en una región (grid) haciendo un click (Aplica sólo para planos XZ y YZ) Bracing X(Cruz de San Andrés)
Bracing V (V Invertidad)
Bracing V: (V) ING. GUILLERMO VÁSQUEZ BARDALES
1 0 1
Bracing Eccen Back: (Diagonal hacia la Izquierda)
Bracing Eccen Forward: (Diagonal hacia la Derecha
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1 0 2
11.1.10.
Draw Section Cut: Dibujar una sección de Corte.
Esta opción permite obtener las fuerzas resultantes para los elementos seleccionados (Vigas, Columnas, Arriostramientos, Muros, Losas, etc), para una determinada carga o combinación de cargas. Para Obtener una sección de corte primero se debe ver en pantalla los diagramas de solicitaciones (el que se requiera) para cualquier régimen de cargas, y luego, ir al menú Draw / Draw Section Cut y pasar una línea que corte los elementos involucrados.
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1 0 3
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1 0 4
Force (1): Fuerza Resultante en la dirección de la sección de Corte. Force (2): Fuerza Resultante en la dirección perpendicular al plano que contiene a la sección de Corte. Force (Z): Fuerza Resultante en Z. Moment (1): Momento Resultante alrededor del eje de la sección de Corte. Moment (2): Momento Resultante alrededor del eje perpendicular al plano que contiene a la sección de Corte Moment (Z): Momento Resultante alrededor del eje Z.
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1 0 5
11.1.11.
Menú Select: Seleccionar
Poly: Selección a través de una Poligonal. Ejemplo: Consideremos una Estructura en 3D formada por elementos Frame. Luego, trazamos una poligonal encerrando algunos objetos, tal como se muestra en la figura.
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1 0 7
11.1.12.
Menú Assign: Asignar
11.1.12.1. Joint: Asignar diferentes propiedades y tipos de restricciones a Juntas.
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11.1.12.2. Restraints: Restricciones Generales.
11.1.12.3. Local Axes: Rotación de ejes Locales
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1 0 9
11.1.13.
Menú Analyse: Analizar
Set Analysis Options: Opciones de Análisis. Análisis Plano o Espacial. Análisis Dinámico, Efecto P-Delta.
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1 1 0
Solver Options: Opciones de Solución
Set Load Cases to Run: Seleccionar los casos de cargas a correr.
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Show Load Case Tree: Mostrar Diagrama Tipo Árbol de los Casos de Carga.
Modify Undeformed Geometry: Modificar la Geometría No Deformada.
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Show Last Run Detail: Mostrar Detalles de la última Corrida.
Show Deformed Shape: Ver Deformadas del Modelo
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Show Forces/Stresses: Ver Fuerzas y/o Esfuerzos en Juntas, Elementos de Pórtico “Frame”, Cables, Guayas, Áreas y Sólidos.
Joints: Reacciones en Juntas.
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Convención de Signos en elementos Frame
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Distribución de Esfuerzos en una conexión Viga-Columna en Acero
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11.1.14.
Menú Design: Diseñar
Steel Frame Design: Diseño de Elementos de Pórtico “Frame”, en Acero.
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View/Revise Preferences: Ver y/o Redefinir Preferencias de Diseño.
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View/Revise Overwrites: Ver y/o Redefinir Parámetros de Diseño.
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