DISEÑO DE ESTRUCTURAS DE ACERO CON EL PROGRAMA SAP 2000 Ver 14
ING LUIS CONTRERAS
MISCELANIAS: GRID: SON LINEAS IMAGINARIAS, NO SON VIGAS NI COLUMNAS SHELL: ELEMENTO QUE SE DEFORMA EN SU PLANO Y FUERA DE SU PLANO
MEMBRANA: MUY DELGADA (PARA MODELAR TECHOS, LOSACERO), SE DEFORMA EN SU PLANO, SE UTILIZA PARA MODELAR LOSACERO, LOSAS ARAMDAS EN DOS DIRECCIONES ESCALERA: SE DEFINE COMO MEMBRANA PUES ES DE E = 5 CMS EN DEFINE > LOAD CASES EN SELF WEIGHT MULTIPLIER, SE COLOCA 1,08 (CONEXIONES Y SOLDADURA= DIAFRAGMA RIGIDO: HACE QUE LA LOSA SE MUEVA COMO UN TODO, FUNDAMENTAL EN EL ANALISIS SISMICO CONECTIVIDAD: EN LAS VIGAS SE DEBE HACER COINCIDIR LA CARA CON EL ALA DE LA COLUMNA A FIN DE EVITAR RIGIDEZ INFINITA DEBIDO AL EMPALME DE LAS MISMAS CON EL EJE DE LA COLUMNA: ASSING >>>> FRAME/CABLE/TENDON>>> END (LENGTH) OFF SET >>>> AUTOMATIC FROM CONNETIVIDAD
PARA EL DESARROLLO Y DOCUMENTACION DE ESTE MANUAL DE SAP 2000, SE HA UTILIZADO UN TIEMPO Y ESFUERZO CONSIDERABLE.
EL
PROGRAMA HA SIDO UTILIZADO Y PROBADO POR MUCHOS AÑOS EN UNA GRAN CANTIDAD DE CASOS DE ANÁLISIS; SIN EMBARGO,
EL
USUARIO DEBE ENTENDER Y ACEPTAR, QUE NO EXISTE NINGUNA GARANTÍA EXPRESADA EXPLÍCITA O IMPLICITAMENTE, POR PARTE DEL AUTOR DEL MANUAL O DE LOS DISEÑADORES DEL PROGRAMA, ACERCA DE LA EXACTITUD O CONFIABILIDAD DE LOS RESULTADOS. EL USUARIO DEBE ENTENDER EXPLÍCITAMENTE LA TEORÍA DEL ANÁLISIS Y DISEÑO DE ESTRUCTURAS; POR LO QUE ESTÁ EN LA OBLIGACIÓN DE VERIFICAR LOS RESULTADOS QUE ARROJE EL PROGRAMA.
1. Definir Sistema de Unidades
El programa SAP2000 trabaja con cuatro unidades básicas: fuerza, longitud, temperatura y tiempo. El programa ofrece variedad de unidades a escoger por el usuario según sea el caso, como “Kip, in, F” o “N, mm, C”. El tiempo siempre es medido en segundos. La medida angular siempre usa las siguientes unidades: - Geometría, tal como orientación de ejes, siempre es medida en grados. - Desplazamientos rotacionales siempre son medidos en radianes. La frecuencia es siempre medida en ciclos/ segundos (Hz).
2. Crear un Archivo Nuevo. File – New Model
Ventana con modelos predeterminados, en nuestro caso elegiremos la segunda
Opción Grid Only para comenzar a definir la geometría de la malla. 3. Introducir la geometría de la malla. Ventana donde se introducen los valores geométricos de la malla en metros. La malla generada puede ser en coordenadas cartesianas o cilíndricas.
Posteriormente tendremos en pantalla dos ventanas con vistas de la malla creada una en vista 3D (derecha) y la otra en el plano XY con las dimensiones que se le dieron anteriormente, el siguiente paso será editar la malla de acuerdo al ejemplo propuesto.
Con solo hacer clic con el botón derecho del mouse sobre la pantalla aparecerán las siguientes opciones:
Las primeras 6 opciones son para editar la malla, las siguientes 5 son del menú View. La opción que utilizaremos será Edit Grid Data… Aparecerá la siguiente ventana en la cual modificaremos la malla en la dirección de X y Y.
En la ventana para editar la malla podemos observar las coordenadas existentes en las direcciones de X, Y y Z donde se modificaran para poder dibujar la estructura. Una vez agregadas las líneas vamos al paso siguiente que es la opción Define del menú principal para diseñar el edificio 4.- Menú DEFINE
4.1 Define – Materiales Lo primero que se definirá será el material con el que vamos a trabajar, nos vamos al menú Define – Materials… y aparecerá la siguiente ventana:
En esta ventana se elige el material con el que se va a trabajar, el programa nos permite trabajar en diferentes materiales tales como; acero, concreto, aluminio, perfiles formados en frio u otro diferente que no esté en esta lista que pueda crear el usuario sabiendo todas las propiedades, en nuestro caso el material a utilizar será acero A36, seleccionamos STEEL y Modify/ Show Material… para cambiar las propiedades del acero al que nosotros requerimos
Una vez definidas las propiedades del material presionamos OK y vamos a definir las secciones a utilizar. 4.2. Define – Frame/ Cable Sections‌ En esta opción podemos definir vigas, columnas, arriostramientos, y/o miembros tipo cable.
En esta opción podemos ver que el programa por defecto nos permite usar su base de datos de perfiles americanos, pero estos perfiles que no serán utilizados podrán eliminarse y sustituirse por perfiles nacionales. En caso de no contar con una base de datos o que sea un perfil que no existe en el mercado también se puede crear.
LOS PERFILES A USAR SERAN LOS SIGUIENTES: Columnas >>>> HEB 200 Vigas >>>>>>> IPE 220 Correas >>>>> IPE 140 y IPE 160 Vigas de la escalera >>>> UPN200 y 180
En esta ventana se pueden importar todas las secciones con las que se van a trabajar si se tiene una base de datos preelaborada. Por defecto el programa toma los perfiles americanos, en nuestro caso trabajaremos con la base de datos de los perfiles predefinidos y que se anexan en este curso. Import I/ Wide Flange – Add New Property… Perfiles.pro (importar perfiles)
Seleccionamos los perfiles que se necesitan y presionamos Enter
4.3. Define – Area Sections… Los elementos tipo áreas son usados para modelar paredes, pisos y otros miembros de paredes delgadas, así como sólidos bidimensionales (esfuerzo plano, de formación plana y sólidos asimétricos).
Tipo Shell: es un elemento que se deforma en su plano y fuera de su plano. Este tipo de área permite modelar losas, muros o placas macizas resistentes a momentos, cortes y fuerza axial. Genera la deformada espacial de losas, muros o placas. Se vincula de manera rígida (monolítica) a las vigas de apoyo. Tipo Membrana: es un elemento que solo se deforma en su plano y no permite ninguna deformación fuera de su plano. Este tipo de área permite modelar techos simplemente apoyados, debido a que transmite su carga a las vigas y/o correas por ancho tributario, como las losacero, losa de tabelones, techos livianos, tejas, etc). Tipo Plate: es un elemento que no se deforma en su plano y solo permite deformaciones fuera de su plano. Este tipo de área permite modelar losas cuya distribución de cargas sea en un sentido fundamental pero se vincula rígidamente a sus apoyos. (Por ejemplo: Losa Nervada).
4.4. Define – Load Cases… Definición de los casos de carga Las cargas representan acciones sobre la estructura, como fuerza, presión, desplaz4.4. Define – Load Cases… Definición de los casos de carga Las cargas representan acciones sobre la estructura, como fuerza, presión, desplazamiento de apoyo, efectos termales, aceleración de suelo, y otros. Una distribución de cargas en la estructura se denomina un caso de carga. Se pueden definir tantos casos de carga como sea requerido por el análisis. Típicamente se tendrán casos de carga separados para carga permanente, carga variable, carga de viento, carga de nieve, carga termal, etc. Cargas que necesitan variar independientemente, sea para los propósitos de diseño o debido a como ellos se aplican a la estructura, deben definirse como casos de carga separados. Los casos de carga a definir son Peso Propio, Carga Permanente, Carga Variable, Carga Variable de techo, Sismo X estático y Sismo Y estático. En esta ventana se pueden definir otros casos de cargas diferentes a las antes mencionadas según las necesidades del usuario.
4.4. Define – Load Cases… Definición de los casos de carga Las cargas representan acciones sobre la estructura, como fuerza, presión, desplazamiento de apoyo, efectos termales, aceleración de suelo, y otros. Una distribución de cargas en la estructura se denomina un caso de carga. Se pueden definir tantos casos de carga como sea requerido por el análisis. Típicamente se tendrán casos de carga separados para carga permanente, carga variable, carga de viento, carga de nieve, carga termal, etc. Cargas que necesitan variar independientemente, sea para los propósitos de diseño o debido a como ellos se aplican a la estructura, deben definirse como casos de carga separados. Los casos de carga a definir son Peso Propio, Carga Permanente, Carga Variable, Carga Variable de techo, Sismo X estático y Sismo Y estático. En esta ventana se pueden definir otros casos de cargas diferentes a las antes mencionadas según las necesidades del usuario.
4.5. Define – Functions – Response Spectrum… Definir el espectro de Diseño. Las funciones en SAP2000 sirven para describir como la carga varía como una función de periodo o tiempo. Solo se necesitan para ciertos tipos de análisis; no se usan para el análisis estático. Una función es una serie de pares de datos de abscisa- ordenada. Hay dos tipos de funciones: - Funciones de Espectro de Respuesta: Aceleración pseudos-espectral vs. El periodo para el uso en análisis de espectro de respuesta. - Funciones de Historia en el Tiempo: magnitud cargante vs. Tiempo para uso en análisis del dominio del tiempo. En esta opción se define la función de espectro que se crea para simular los efectos
de las fuerzas sísmicas, el espectro simula fracciones de aceleraciones de la gravedad. Para introducir el espectro de diseño en el programa se debe crear un archivo de texto, como se explica a continuación: • En una hoja de cálculo en Excel llamada “Espectro de Diseño 1756-1 2002”, suministrada por el instructor, se vacían todos los datos necesarios para realizar el grafico del espectro, estos datos son: zona sísmica (Z5), tipo de suelo (S2), factor de corrección, tipo de estructura, material, alturas, etc. Todos estos datos son suministrados por el estudio de suelo, configuración de la estructura y el uso que se le dará. Todos los parámetros para realizar el grafico del espectro en esta hoja de cálculo (periodo vs. aceleración) están basados en la norma para Edificaciones Sismo resistente Covenin 1756-1 2002
Add New Function… lo primero que se hace es darle nombre ESPECTRO, se busca el archivo de texto en Browse, se selecciona los valores de periodo vs aceleración, el numero 2 indica que el archivo de texto está compuesto de dos columnas de datos y en Display Graph muestra el grafico del espectro
4.6. Define – Análisis Cases… en este opción se definen los casos de análisis a considerar. Un caso del análisis define como las cargas serán aplicadas a la estructura, y como la respuesta estructural será calculada. Hay diferentes tipos de casos de análisis. Ampliamente, los análisis son clasificados como lineal o no lineal, dependiendo de, como la estructura responde a la carga
En esta ventana se realizan varias operaciones, la primera será modificar el caso de análisis denominado DEAD, en el cual vamos a sumar los casos estáticos denominados CM y PP, CP = CM + PP
Anรกlisis Case data
Anรกlisis no lineal Cargas aplicadas en este caso de anรกlisis
ANALISIS MODAL
Se crean los casos de Sx y Sy
Combinación Modal Se usa para combinar las respuestas modales en el análisis espectral. La elección depende del criterio del Ingeniero Calculista. - CQC: este es el método de Combinación Cuadrática Completa, descrito por Wilson, Kiureghian and Bayo (1981). Esta técnica de combinación modal toma en cuenta, el acoplamiento probable entre modos muy cercanos, causados por el amortiguamiento modal incrementa el acoplamiento entre modos muy cercanos. Si el amortiguamiento modal es cero (0) para todos los modos, entonces el método CQC degenera en el método SRSS. - SRSS: este es el método de la Raíz Cuadrada de la Suma de los Cuadrados. Esta técnica de combinación modal no toma en cuenta el acoplamiento entre modos como lo hacen los métodos del CQC O El GMC. - ABS: este es el método absoluto. Esta técnica de combinación modal simplemente combina los resultados modales tomando la suma de sus valores absolutos. Este método es usualmente conservador. - GMC: este es el Método General de Combinación Modal, también conocido como el método de grupta. Es semejante al CQC tomando en cuenta el
acoplamiento de modos cercanos, y también incluye la correlación entre modos con contenido de respuesta rígida
4.7. Define – Mass Source…
El origen de las masas en SAP2000, se refiere a la determinación de las masas Sísmicas que participaran en el análisis dinámico, basado en los criterios establecidos en el capítulo 7 “Coeficiente Sísmico y Espectro de Diseño” de la “Norma de Edificaciones Sismorresistentes”, articulo 7.1 “Coeficiente Sísmico para Edificaciones”, donde especifica que a la carga permanente se le añadirá el 100% y a la carga variable de los pisos el 25%, para la carga variable de techo 0%. SX: SISMO ESPECTRAL EN X (DINAMICO) SY: SISMO ESPECTRAL EN Y (DINAMICO) SXE: SISMO ESTATICO SYE: SISMO ESTATICO
5. Menú DRAW Esta opción
es
muy
utilizada
durante toda la realización de la geometría del modelo a analizar, en la parte izquierda de la pantalla se tienen algunos de los iconos más utilizados que son similares a los usados en el Auto CAD.
Una vez dibujado el primer pรณrtico con sus respectivos perfiles podemos optar por diferentes alternativas de dibujo, manual รณ automรกtico con el comando replicar
PORTICO (1)
5. MenĂş EDIT Este menĂş de comandos es muy importante porque contiene una gran cantidad de acciones a la hora de realizar un modelo estructural en SAP2000.
Ya dibujado el primero pórtico lo seleccionamos y replicamos varias veces según las distancias requeridas, serán 2 veces a 3 m, en X, 1 a 4,05 m, 1 a 3 m y 1 a 2 m Luego dibujamos los elementos que falten en el otro sentido (Y) y replicamos ese pórtico de la misma forma que se hizo con el anterior 1 vez a 4.10 m, 1 a 4,30 m y 1 a 4 m. todos estos pasos se realizan en el menú:
Listo el replique de los pórticos, dibujaremos las correas y los detalles que faltan, para esto utilizaremos la opción de dibujo rápido de vigas secundarias. Primero en pantalla tendremos una vista en el plano XY a la altura de Z = 3 m y hacemos clic en el icono
o nos podemos ir al menú Draw – Quick Draw Secondary Beams
Debido a que existe un grid entre los pórticos 3 y 4 no se pueden dibujar las correas con el comando , entonces usaremos otro del menú Edit – Divide Frames, primero seleccionamos las vigas que se encuentran entre los pórticos 3 y 4 y luego
las dividimos. Después de divididas dibujamos las correas con y las seleccionamos todas para replicarlas a los pisos siguientes. También dibujaremos el volado y lo replicaremos al piso siguiente
Para completar la geometría de la estructura falta la escalera para ello debemos crear unas líneas de referencia en la dirección de z en la mitad de cada entrepiso para dibujar los descansos. Estas coordenadas serán Z = 1,5m; Z = 4,5m y Z = 7,5m.
Haciendo clic sobre el botón derecho del mouse sobre la pantalla grafica del
Programa aparecerá la lista de opciones, seleccionamos Edit Grid Data … y editamos la malla en la dirección del eje Z agregándole nuevas coordenadas
Nos vamos al plano XY a la coordenada Z = 1.5 y dibujamos el descanso de la escalera de acuerdo a los siguientes pasos:
Una vez creados los puntos agregamos un grid donde se encuentran en Edit – Add Grid at Selected Points… e indicamos la dirección de los grid que en este caso será en la dirección del eje Y.
Dibujamos un perfil UPN 200 entre los pórticos 3 y 4, la seleccionamos y dibujamos un punto en la intersección de los ejes 3’ y F. verificamos el numero de etiqueta que le fue asignado por defecto al punto y nos vamos al menú Edit – Edit Curved Frame/ Cable…
En la ventana anterior se debe indicar el tipo de objeto que en nuestro caso es
elemento curvo (curved Frame), tipo de curva (Curve/ Cable Type) que para nosotros será definida por un punto mediante su número de etiqueta (ID), se introduce dicho numero en la casilla de 3rd Point ID y por ultimo se indica en cuantos tramos se divide el elemento para dibujarlo en Number of Linear Segments.
Con el otro elemento curvo repetiremos el paso anterior solo que utilizaremos un artificio para dibujarlo. Dibujamos una línea de 0,738 m de longitud en la mitad de lo que será el descanso. Copiamos el numero de ID del punto final de la línea y dibujamos lo que será la curva.
Repetimos el paso anterior en Edit – Edit Curved Frame/cable
Dibujamos sobre las líneas guías, que nos creo el programa, los perfiles que van en cada caso y se eliminan las líneas que se dibujaron anteriormente
Se dibujan las vigas inclinadas de la escalera, nos podemos ayudar con una vista 3D
Una vez dibujada se replica al nivel superior y se dibujan tres columnas mas para la escalera y el techo como lo indica la figura siguiente:
6. MenĂş ASSIGN
6.1. Para asignar los empotramientos en la base de las columnas seleccionamos la base de la estructura y nos vamos al menú Assign – Joint – Restraints y seleccionamos restricción de empotramiento
6.2. Se dibujara y asignaran las losas, con una vista en planta (plano XY) a la altura de Z = 3m, el comando que usaremos será del menú Draw – Draw Rectangular Area
Se dibujaran las losas entre columnas, en este caso dibujaremos primero la losacero del piso 1 y luego se replicara 2 veces, y posteriormente la losa de la escalera. Para la losa del volado se usara Draw – Draw Poly Area. La siguiente imagen nos muestra la losa ya dibujada
6.3. Para que el programa realice el análisis de la forma correcta y las correas sean cargadas, deberá hacerse la división de la losa en áreas más pequeñas ya que este programa se basa en la teoría de elementos finitos
SELECCION
Para el Mesh
UNA VEZ REALIZADO EL MESH, LE ASIGNAMOS LAS CARGAS Y LA REPLICAMOS 6.4. Cargar la Estructura. Según la Norma Covenin – Mindur 2002-88 “Criterios y
Acciones Mínimas para el Proyecto de Edificaciones”. � Entrepiso: Carga Permanente. (El peso de la Losa la asume el Programa) - Tabiqueria 150 Kg/ m2 - Acabado Piso 100 Kg/ m2 - Cielo Raso 20 Kg/ m2 270 Kg/ m2 Carga Variable. - Uso: Vivienda 175 Kg/ m2 � Techo: Carga Permanente. - Impermeabilización 10 Kg/ m2 - Pendiente de Techo 100 Kg/ m2 110 Kg/ m2 Carga Permanente. - Escalón tipo Graveuca o Similar 100 Kg/ m2 Carga Variable 300 Kg/ m2 Nota: El peso propio de la estructura lo toma en cuenta el programa para el análisis.
Una vez cargadas se replican y se cambian las cargas del techo.
Para el dibujo de la losa de la escalera y la asignación de la carga se repiten los pasos anteriores.
6.6. Assign – Joint – Constraints…
Esta opción es para asignarle a la estructura un diafragma rígido, para realizar el análisis dinámico según la norma sismorresistente actual 1753-2001.
6.7. Elegir bajo que norma se va regir el diseño.
Design - Steel Frame Design - View/Revise pref… El programa por defecto toma la norma china, la cambiaremos por la norma LRFD del 99. Para que el diseño sea para un nivel de diseño 3, se diseñan los elementos para un Special Moment Frame (SMF) como lo indica la norma Covenin 1618:1998 “Estructuras de Acero para Edificaciones. Métodos de los Estados Limites”, en la tabla C-3.1 (a) Correspondencia entre los Tipos Estructurales definidos en esta Norma, los de la Norma Covenin Mindur 1756 – 98 y los de las Normas Norteamericanas (AISC, UBC, etc.)
6.8. Define – Combinations…
Una combinación en SAP2000, también llamada “combo”, es combinación de los resultados de uno o más casos de análisis y/o otras combinaciones. Cuando una combinación se define, esta se aplica a los resultados para cada objeto en el modelo. Hay cuatro tipos de combinaciones: - Tipo Aditivo (Linear Add): los resultados de los casos del análisis incluido y/o combo son sumados. - Tipo Absoluto (Absolute Add): los valores absolutos de los resultados del caso de analisis incluidos son sumados. - Tipo SRSS (SRSS): se calcula la raíz cuadrada de la suma de los cuadrados de los resultados del caso de análisis incluido y/o los combos. - Tipo envolvente (envelope): se envuelven los resultados de los casos del análisis incluido y/ o combos para encontrar los valores máximos y mínimos. Según la norma vamos a tomar las combinaciones que trae por defecto y las editamos adaptándolas a nuestras combinaciones.
Las combinaciones son las indicadas en la Norma Covenin 1618:1998 “Estructuras de Acero para Edificaciones. Métodos de los Estados Limites”, en el articulo 10.3. 1) 1.4 CP 2) 1.2 CP + 1.6 CV + 0.5 CVt 3) 1.2 CP + 1 CV + 1 CVt ± SX + 0.30 SY 4) 1.2 CP + 1 CV + 1 CVt ± SY + 0.30 SX 5) 0.9 CP + ± SX + 0.30 SY 6) 0.9 CP + ± SY + 0.30 SX
7. Menú Analyze
Una vez completa la estructura se puede mandar hacer el análisis de la misma en el menú Analyze existen varias opciones, la primera Set Análisis Options… es para definir el tipo de análisis que realizara, en Set Análisis Cases to Run… se eligen los casos de análisis que se van a tomar en cuenta en la corrida y Run Analysis es para mandarlo a correr
mos clic en la Ăşltima opciĂłn o en el icono
>
y veremos la siguiente ventana,
que indica los casos de anĂĄlisis y le hacemos clic en Run Now para correrlo
Inmediatamente después de la corrida, la primera pantalla que muestra el programa es la deformada por CP (carga permanente)
8. Menú Display Una vez corrida la estructura toda la información numérica y gráfica se puede ver en el menú Display.
En esta opciรณn se pueden ver las deformaciones de la estructura causadas por cada caso de carga y por las combinaciones.
Display – Show Forces/ Stresses… En esta opción se pueden ver los diagramas de corte, momento, fuerza axial y esfuerzos en todas las direcciones de cada elemento estructural y losas, para cada caso de carga y combinación.
Si hacemos clic con el botón derecho del Mouse sobre cualquier elemento podremos ver los valores y todos los diagramas del elemento seleccionado
Esta opción nos muestra todos los resultados del análisis y diseño, también nos muestra los datos de entrada y todas estas tablas pueden ser exportadas a Excel
Todas estas opciones son para ver en pantalla o imprimir los resultados obtenidos según las necesidades del usuario. Model DefinitionTables… imprime todas las tablas referentes al modelo geométrico, los grid, las distancias, coordenadas respecto a los ejes globales, etc. Analysis Results Tables… imprime todos los resultados del análisis tales como; las fuerzas en los nodos y elementos, los desplazamientos, las reacciones en la base, el análisis espectral, etc. Design Results Tables… muestra los datos para el diseño de las secciones y las propiedades de las secciones utilizadas según sea el caso (acero o concreto) 9. Menú Design Las capacidades de diseño del programa pueden usarse en objetos elemento/ cable cuya propiedad de sección sean materiales de concreto, acero o aluminio. Para el diseño en acero y aluminio, el programa puede seleccionar automáticamente una sección óptima de una lista que el usuario defina
9.1. Design – Start Design/ Check of Structure. Al activar esta función el programa analizara elemento por elemento de la estructura diseñando por corte, momento y fuerza axial para cada uno de los casos de carga y combinaciones. Después que se mande a diseñar, al tocar cualquier elemento y hacer clic con el botón derecho del Mouse sobre el, se desplegara una ventana con toda la información sobre el diseño
Para ver más detalles se presiona la opción Details y se verán los resultados del diseño de la sección. En el caso que no chequee la sección se desbloquea la corrida
10 VERIFICACION DE LOS DESPLAZAMIENTOS DISPLAY – ANALYSIS RESULTS TABLE….