SAP2000 Avanzado

Análisis y Diseño Estructural con SAP2000 – Nivel Avanzado

SAP2000 – Nivel Avanzado Diplomado en Cálculo y Diseño Estructural Profesor: E-mail:

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Tema 1: Diseño Sismorresistente integral de un edificio de concreto armado de 5 pisos SAP2000 1. Modelo Pseudo-tridimensional del EDIFICIO A Utilizando un modelo pseudo-tridimensional (3 grados de libertad por piso) se modelará el Edificio A de la hoja adjunta. Secciones transversales de vigas y columnas (modelo inicial)

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Análisis y Diseño Estructural con SAP2000 – Nivel Avanzado MODELAMIENTO DE PLACAS CON ELEMENTOS DE TIPO ÁREA 2. Modelo de las placas de concreto armado En este ejercicio se va a considerar el modelamiento de las placas de concreto armado como elementos de tipo área y se comparará los resultados en cuanto a propiedades dinámicas (períodos de vibración y modos), desplazamientos de entrepiso y fuerzas internas (momentos y cortantes). En general, para modelar losas y muros (elementos bidimensionales) con el programa SAP2000 se requiere definir tanto el material como la sección de los elementos. Las losas son elementos bidimensionales (elementos de área) que tienen características y comportamiento diferente a los elementos de tipo barra. La sección de las losas se define a partir del espesor, del material y del tipo de comportamiento que se modelará:

 Define > Section Properties > Area Sections...

(1

(2

(1) Material Name Nombre del Material (2) Area Type Tipo de Sección shell)

(3a) (escoger

(3) Thickness a) Espesor de membrana: deformaciones en el plano. b) Espesor de flexión: deformaciones fuera del plano.

(3b)

tipo

(4 para para

(4) Type Tipo de Comportamiento

El tipo de comportamiento se define en tres clases: Plate: para acciones fuera del plano (flexión y corte en losas). Membrana: para acciones en el plano (diafragmas de techo). Shell: acciones en el plano y fuera de él.

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Subdivisión de Elementos Los elementos modelados con losas y muros tipo shell se deben subdividir de manera de alcanzarse una distribución adecuada de fuerzas internas. Para ello se subdivide en: -

Elementos cuadrados, de ser posible. Elementos limitados por el cruce con barras o nudos. Una cantidad adecuada de elementos (por lo menos cuatro por cuatro).

Seleccionar el elemento de área:

 Edit > Edit Areas > Divide Areas... - Dividir en una cantidad de sub-elementos. - Dividir según los nudos que se tengan. - Dividir en la intersección con las líneas guía.

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Asignación de Cargas A los elementos tipo “Área” se les asigna cargas por unidad de área. Para ello se seleccionan los elementos de área y se asigna mediante:

 Assign > Area Loads...

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3. Modelamiento de centros de masa, diafragmas rígidos y elementos rígidos A continuación describa los pasos más importantes del procedimiento para modelar las losas como diafragmas rígidos (CONSTRAINTS). Además, explique el procedimiento para asignar a los vigas longitudes de brazo rígidos (End Length Offsets) y simular algunos elementos con barras infinitamente rígidas.

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4. Análisis sísmico ESTÁTICO PARÁMETROS DINÁMICO)

Y

CÁLCULOS

PARA

EL

ANÁLISIS

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SÍSMICO

(ESTÁTICO

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Y

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Tema 2: Análisis Sísmico ESPECTRAL (Norma de Diseño Sismorresistente NTE.E030)

En la parte anterior se ha descrito el procedimiento para desarrollar el análisis estático. Ahora se describe el procedimiento para definir el espectro de diseño de la NTE.E030. Estimar los desplazamientos máximos y respuestas máximas de interés considerando un análisis espectral. Compare estos valores con los del análisis estático.

5. Patrones y combinaciones de carga de gravedad Describa el procedimiento para incluir los patrones/estados de carga de gravedad (carga viva y carga muerta) considerando que la losa aligerada está techada en la dirección X-X. Utilizar la opción de cargas “Uniform (to frames)” en los elementos de tipo SHELLS.

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6. Diseño estructural integral de acuerdo a un código de diseño en concreto armado. Realice el diseño sismorresistente integral de su edificio destacando algunos resultados más importantes.

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Tema 3: Reservorio apoyado de Concreto Armado SAP2000 Los reservorios para almacenamiento de agua y otros líquidos se caracterizan porque la configuración estructural está gobernada por el criterio estructural. En consecuencia, se utilizan elementos curvos que trabajan como estructuras laminares. Éstos elementos de tipo “área” (Shells en SAP2000) aprovechan óptimamente las propiedades resistentes de los materiales que la conforman. Para este ejemplo se realizará el análisis por flexión consistente en determinar las fuerzas axiales, cortantes y momentos debido a las solicitaciones en los extremos o cargas de bordes así como la presión del líquido (agua).

La relación óptima de la flecha con el diámetro (f/D) para domos esféricos está entre 1/10 a 1/5. Para nuestro caso tomaremos en cuenta la relación de f/D=1/8 por lo que para el diámetro del cilindro D=8 la flecha es f=1m. La altura económica de reservorios está estimados según “Prestressed Cocrete Cylindrical Tank” (L.R. Gressy-1961).

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Análisis y Diseño Estructural con SAP2000 – Nivel Avanzado Pasos a seguir en el programa SAP 2000 1. Cambiar la unidades a kgf,m,c 2. Presionar en la barra de herramientas File/New Model y aparecera la siguente figura:

3. Elegir el boton Shells presionando sobre él con el botón principal del mouse. Se presentará la siguiente ventana:

4. En la ventana Shells, elija de la etiqueta Shell Type la opción Cilinder y cambie los valores geométricos del cilindro de altura a 5m, radio de 4m, numero de divisiones verticales z=5, numero de divisiones angulares igual a 16 y presiones sobre el boton OK para mostrar los valores generados del cilindro, tal como se muestra en la siguiente figura:

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5. Seleccione todo el cilindro con Select/Select/All. Para mover la posición del cilindro hasta un z=-5, en la barra del Menu seleccionar Edit/Move. En la ventana Move cambiar Delta z=-5, luego presionar sobre el botón OK. Con ésto se cambia la posición del origen a la parte superior central del cilindro.

6. Para insertar el domo esférico como tapa del cilindro del reservorio, seleccionar en Edit/Add to Model from template (ó Ctrl+T). Se visualiza la ventana New Model. Luego, seleccionamos la opción Shells mostrando una ventana con el mismo nombre. Bajo la etiqueta Shell Type seleccionamos Spherical Dome. Modificamos los valores de acuerdo a:

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7. Definir el tipo de material. Para este modelo se usará un concreto con una resistencia a la compresión de f´c=100 kg/cm2 y el módulo de elasticidad se calculará como E=15000*SQR(210)*10000.

8. Definir los espesores del domo como una membrana de espesor constante e=6cm. La pared del cilindro como Shell e=25cm y el encuentro entre el domo y la pared como una viga de compresión de 0.35x0.50m. En el menú seleccionar Define/Section Properties/Area

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Análisis y Diseño Estructural con SAP2000 – Nivel Avanzado Sections, opción Shell, y hacer click en Add New Section. Se muestra la ventana Shell Section Data. Ingresamos el nombre y las características de los elementos.

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9. Para visualizar sólo la parte del domo, del menú View se escoge el comando Set Limits y apareceré la ventana que se presenta en la siguiente figura en donde colocaremos en el Set Z Axis Limits los valores de 0 para Min y 1 para Max. Presionando el botón OK aceptaremos los cambios efectuados.

10. Seleccionaremos los elementos correspondientes al domo y en la barra de menú Assign elegiremos Area/Sections. Luego de la ventana Area Sections seleccionamos la opción “domo” y luego se presiona en OK. Las propiedades se asignarán solo al domo del reservorio.

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11. Para asignar las propiedades de la pared del reservorio, seleccionar el menú View/Set Limits y en el Set Z Axis Limits escribir 5 para Min y 0 para Max. Luego presionar OK.

12. Para asignar el tipo de elemento, seleccionar los elementos del cilindro y luego realizar la secuencia Assign/Area Sections. Aparecerá la ventana Area Section. Seleccionar la opción “pared” y

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Análisis y Diseño Estructural con SAP2000 – Nivel Avanzado presionar el botón OK. Inmediatamente se asignará las propiedades del reservorio.

Para asignar las propiedades de la viga o anillo de compresión del reservorio, seleccionar en el menú View/Set Limits la opción para solo observar la parte del cilindro correspondiente. Usar en Set Z Axis Limtis -1 para Min y 0 para Max. Presionar OK. Luego, con el comando Edit/Edit Areas/Divide Areas usar los siguientes parámetros.

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Para aplicar el tipo de elemento, seleccionar los elementos de la viga. Luego, realizar la secuencia Assign/Area/Sections. Aparecerá la venta Area Section. Seleccionar la opción “v_compresion” y presionarle botón OK. Inmediatamente se asignará las propiedades del anillo de compresión del reservorio.

13. Para visualizar una forma completa y un corte por la mitad, seleccionamos en el menú View/Set Display Options, y luego de la ventana Display Options for Active Window se activa la opción Extrude View para ver los espesores de las paredes y domo.

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14. Para asignar las cargas, primeramente se definen los patrones de carga, luego los estados de carga y posteriormente las combinaciones para la carga muerta o peso propio, la sobrecarga de construcción y la presión del líquido (agua). 15. Con la secuencia de comandos Define/Load Patterns se mostrará la ventana Define Load Patterns en donde se seleccionará el tipo de carga, el nombre y el factor de multiplicación del peso propio. Así tenemos que para carga muerta en Load Name se coloca “muerta”, en Type se seleccionar “DEAD” y en Self Weight Multiplier 1 (el valor de 1 indica que el programa asume el peso propio cuando se ejecuta), y bajo Click To presionar Modify Load Pattern. Luego, añadimos un nuevo tipo de carga como la presión del agua en Type=OTHER, en Self Weight Multiplier=0, luego se presiona Add New Load Pattern. La sobrecarga por proceso constructivo se agrega como carga viva con Type=LIVE, Self Weight Multiplier=0. Finalmente, presionar OK.

16. Con la secuencia de comandos Define/Load Cases se mostrará la ventana Define Load Cases y en ella el nombre de la carga y el tipo de análisis. Para asignar un nuevo tipo de análisis presionar Add New Load Case o modificar con Modify/Show Load Case.

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17. Con la secuencia de comandos Define/Load Combinations se mostrará la ventana Define Load Combinations. Se deben definir las siguientes combinaciones:

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18. Para asignar la cargas viva y de agua se procede de la siguiente manera. Para el caso de la carga viva en la cúpula del reservorio de S/C=150 kg/m2, seleccionamos el commando Select/Select/Properties/Area Sections. Se muestra la ventana Select Sections de la cual seleccionamos “domo”.

Con la secuencia de comandos Assign/Area Loads/Uniform (Shell) se muestra la ventana Area Uniform Loads. Seleccionar el patrón de carga “viva” y el valor de 150 kg/m2, en Coord. System usar el GLOBAL. Luego seleccionar Replace Existing Loads con la finalidad de anular lo que existe. Presionar OK.

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19. Para asignar la presión del líquido (agua con peso específico de 1000 kg/m3) en las paredes del reservorio y generar una distribución triangular, se define un patrón de nudos o Joint Patterns. Luego asignamos la carga que varía en función de la altura. Con la secuencia de comandos Define/Joint Patterns se presenta la ventana Define Pattern Names y bajo la etiqueta Patterns escribimos pres_agua (presión del agua). Luego en Click to presionamos Add New Pattern Name para crear el patrón de nudos de carga. Luego presionar OK.

20. Para asignar la carga en las paredes del reservorio, seleccionamos la vista t-z que se encuentra como ícono de acceso directo. Se selecciona todo el modelo dibujando un rectángulo de selección que abarque todo el modelo de izquierda a derecha. Al seleccionar Assign/Joint Patterns se muestra la ventana Pattern Data. Luego, en Pattern Name elegimos pres_agua, en Pattern Value=Ax+By+Cz+D escribimos las constantes A=B=D=0 y C=-1000. Seleccionamos en Restrictions la opción Zero Negative Values. Luego hacemos OK.

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21. Para asignar las presiones en la pared del reservorio mediante los Joint Patterns utilizaremos la secuencia Select/Select/Properties/Area Sections. Se muestra la ventana Select Sections. Seleccionar la opción “pared” y “v_compresion”. Presionando OK se seleccionan los elementos de la pared así como la viga de compresión para asignarle el patrón de cargas. En el menú Assign/Area Loads/Surface Pressure (All) se muestra la ventana Area Surface Pressure Load. Seleccionar el patrón de cargas “agua”. Luego seleccionar en By Joint Pattern el patrón “pres_agua”. Además en Face seleccionar Bottom.

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22. Para el análisis estático, activar todos los grados de libertad a partir del menú Analyze/Set Analysis Options.

Con el menú seleccionar Analyze/Run Analysis. Se muestra la ventana Set Analysis Cases to Run. Seleccionar el botón Run Now para dar inicio al análisis estructural del reservorio apoyado.

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23. Cuando el análisis termina se muestra una ventana con los resultados de análisis, con el modelo deformado por carga muerto (peso propio).

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Análisis y Diseño Estructural con SAP2000 – Nivel Avanzado DEFORMADA POR PRESIÓN DEL AGUA

MOMENTOS M11 S_R_VACIO Y M22 SR_VACIO (Servicio – Reservorio vacío)

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Análisis y Diseño Estructural con SAP2000 – Nivel Avanzado MOMENTOS M11 S_R_LLENO Y M22 SR_LLENO (Servicio – Reservorio lleno)

MOMENTOS M11 U_R_LLENO Y M22 UR_LLENO (Cargas últimas – Reservorio lleno)

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Tema 3: Análisis Estructural de Puentes Ejercicio Para una viga continua de un puente 45.00 m de tres tramos (14.00 – 17.00 – 14.00) y con al siguiente sección transversal y características del material:

Se pide:

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Análisis y Diseño Estructural con SAP2000 – Nivel Avanzado 1. Determine en cada elemento FRAME 11 estaciones de resultado e indique el valor de la máxima ordenada de la:

salida

de

a) Línea de Influencia de Momento máximo positivo en el primer tramo (FRAME1 – 0.5L) Rpta.: …………………. b) Línea de Influencia de intermedio (FRAME2 – 0.6L) Rpta.: ………………….

Momento

máximo

positivo

en

el

tramo

c) Línea de Influencia de Momento máximo negativo en el primer apoyo interior (FRAME1 – 1.0L) Rpta.: …………………. d) Línea de Influencia de Cortante en el tramo interior (FRAME2 – 0.6L) Rpta.: …………………. 2. Indique los máximos momentos flectores solo por sobrecarga vehicular del camión de diseño HL-93 de las especificaciones AASHTOLRFD sobre el mismo sistema estructural. a) Máximo momento positivo en el primer tramo: Rpta.: …………………. t-m b) Máximo momento positivo en el tramo intermedio: Rpta.: …………………. t-m c) Máximo momento negativo en el primer apoyo intermedio: Rpta.: ………………….. t-m

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Tema 4: Análisis avanzados para un edificio de 5 pisos con fines de evaluación estructural

SAP2000 Análisis tiempo historia (terremoto del año 70) Realice la verificación del diseño con un análisis tiempo-historia (lineal) utilizando la señal sísmica del terremoto del año 1970.

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Análisis y Diseño Estructural con SAP2000 – Nivel Avanzado Proceso constructivo Desarrolle el análisis por carga muerta considerando las deformaciones y esfuerzos debido al proceso constructivo.

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