DISEO DE ESTRUCTURAS DE ACEROCON EL PROGRAMA SAP 2000 Ver 14

ING LUIS CONTRERAS

MISCELANIAS: GRID: SON LINEAS IMAGINARIAS, NO SON VIGAS NI COLUMNASSHELL: ELEMENTO QUE SE DEFORMA EN SU PLANO Y FUERA DE SU PLANOMEMBRANA: MUY DELGADA (PARA MODELAR TECHOS, LOSACERO), SE DEFORMA EN SU PLANO, SE UTILIZA PARA MODELAR LOSACERO, LOSAS ARAMDAS EN DOS DIRECCIONESESCALERA: SE DEFINE COMO MEMBRANA PUES ES DE E = 5 CMSEN 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 SISMICOCONECTIVIDAD: 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 DEESTE MANUAL DE SAP 2000, SE HA UTILIZADOUN TIEMPO Y ESFUERZO CONSIDERABLE. ELPROGRAMA HA SIDO UTILIZADO Y PROBADOPOR MUCHOS AOS EN UNA GRAN CANTIDADDE CASOS DE ANLISIS; SIN EMBARGO, ELUSUARIO DEBE ENTENDER Y ACEPTAR, QUENO EXISTE NINGUNA GARANTA EXPRESADAEXPLCITA O IMPLICITAMENTE, POR PARTE DELAUTOR DEL MANUAL O DE LOS DISEADORESDEL PROGRAMA, ACERCA DE LA EXACTITUD OCONFIABILIDAD DE LOS RESULTADOS.EL USUARIO DEBE ENTENDER EXPLCITAMENTELA TEORA DEL ANLISIS Y DISEO DEESTRUCTURAS; POR LO QUE EST EN LAOBLIGACIN DE VERIFICAR LOS RESULTADOSQUE ARROJE EL PROGRAMA.

1. Definir Sistema de UnidadesEl programa SAP2000 trabaja con cuatro unidades bsicas: fuerza, longitud,temperatura y tiempo. El programa ofrece variedad de unidades a escoger por elusuario segn sea el caso, como Kip, in, F o N, mm, C. El tiempo siempre esmedido en segundos.La medida angular siempre usa las siguientes unidades:- Geometra, tal como orientacin 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 Opcin Grid Only para comenzar a definir la geometra de la malla.3. Introducir la geometra de la malla.Ventana donde se introducen los valores geomtricos de la malla en metros. Lamalla generada puede ser en coordenadas cartesianas o cilndricas.

Posteriormente tendremos en pantalla dos ventanas con vistas de la malla creadauna en vista 3D (derecha) y la otra en el plano XY con las dimensiones que se ledieron anteriormente, el siguiente paso ser editar la malla de acuerdo al ejemplopropuesto.

Con solo hacer clic con el botn derecho del mouse sobre la pantalla aparecern las siguientes opciones:

Las primeras 6 opciones son para editar la malla, las siguientes 5 son del menView. La opcin que utilizaremos ser Edit Grid Data Aparecer la siguienteventana en la cual modificaremos la malla en la direccin 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 lneas vamos al paso siguiente que es la opcin Define del men principal para disear el edificio4.- Men DEFINE

4.1 Define MaterialesLo primero que se definir ser el material con el que vamos a trabajar, nos vamos al men Define Materials y aparecer la siguiente ventana:

En esta ventana se elige el material con el que se va a trabajar, el programa nospermite trabajar en diferentes materiales tales como; acero, concreto, aluminio,perfiles formados en frio u otro diferente que no est en esta lista que pueda crear el usuario sabiendo todas las propiedades, en nuestro caso el material a utilizar ser 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 SectionsEn esta opcin podemos definir vigas, columnas, arriostramientos, y/o miembros tipo cable.

En esta opcin podemos ver que el programa por defecto nos permite usar su base de datos de perfiles americanos, pero estos perfiles que no sern utilizados podrn 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 tambin se puede crear.

LOS PERFILES A USAR SERAN LOS SIGUIENTES:Columnas >>>> HEB 200Vigas >>>>>>> IPE 220Correas >>>>> IPE 140 y IPE 160Vigas de la escalera >>>> UPN200 y 180En 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 SectionsLos elementos tipo reas son usados para modelar paredes, pisos y otros miembrosde paredes delgadas, as como slidos bidimensionales (esfuerzo plano, de formacin plana y slidos asimtricos).

Tipo Shell: es un elemento que se deforma en su plano y fuera de su plano. Estetipo de rea permite modelar losas, muros o placas macizas resistentes amomentos, cortes y fuerza axial. Genera la deformada espacial de losas, muros oplacas. Se vincula de manera rgida (monoltica) a las vigas de apoyo.Tipo Membrana: es un elemento que solo se deforma en su plano y no permiteninguna deformacin fuera de su plano. Este tipo de rea permite modelar techossimplemente apoyados, debido a que transmite su carga a las vigas y/o correas porancho 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 permitedeformaciones fuera de su plano. Este tipo de rea permite modelar losas cuyadistribucin de cargas sea en un sentido fundamental pero se vincula rgidamente asus apoyos. (Por ejemplo: Losa Nervada).

4.4. Define Load Cases Definicin de los casos de cargaLas cargas representan acciones sobre la estructura, como fuerza, presin,desplaz4.4. Define Load Cases Definicin de los casos de cargaLas cargas representan acciones sobre la estructura, como fuerza, presin,desplazamiento de apoyo, efectos termales, aceleracin de suelo, y otros. Unadistribucin de cargas en la estructura se denomina un caso de carga.Se pueden definir tantos casos de carga como sea requerido por el anlisis.Tpicamente se tendrn casos de carga separados para carga permanente, cargavariable, carga de viento, carga de nieve, carga termal, etc. Cargas que necesitanvariar independientemente, sea para los propsitos de diseo o debido a como ellosse 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 esttico y Sismo Y esttico. En esta ventana sepueden definir otros casos de cargas diferentes a las antes mencionadas segn lasnecesidades del usuario.

4.4. Define Load Cases Definicin de los casos de cargaLas cargas representan acciones sobre la estructura, como fuerza, presin,desplazamiento de apoyo, efectos termales, aceleracin de suelo, y otros. Unadistribucin de cargas en la estructura se denomina un caso de carga.Se pueden definir tantos casos de carga como sea requerido por el anlisis.Tpicamente se tendrn casos de carga separados para carga permanente, cargavariable, carga de viento, carga de nieve, carga termal, etc. Cargas que necesitanvariar independientemente, sea para los propsitos de diseo o debido a como ellosse 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 esttico y Sismo Y esttico. En esta ventana sepueden definir otros casos de cargas diferentes a las antes mencionadas segn lasnecesidades del usuario.

4.5. Define Functions Response Spectrum Definir el espectro de Diseo.Las funciones en SAP2000 sirven para describir como la carga vara como unafuncin de periodo o tiempo. Solo se necesitan para ciertos tipos de anlisis; no seusan para el anlisis esttico. Una funcin es una serie de pares de datos deabscisa- ordenada. Hay dos tipos de funciones:- Funciones de Espectro de Respuesta: Aceleracin pseudos-espectral vs. Elperiodo para el uso en anlisis de espectro de respuesta.- Funciones de Historia en el Tiempo: magnitud cargante vs. Tiempo para usoen anlisis del dominio del tiempo.En esta opcin se define la funcin de espectro que se crea para simular los efectosde las fuerzas ssmicas, el espectro simula fracciones de aceleraciones de lagravedad. Para introducir el espectro de diseo en el programa se debe crear unarchivo de texto, como se explica a continuacin: En una hoja de clculo en Excel llamada Espectro de Diseo 1756-1 2002,suministrada por el instructor, se vacan todos los datos necesarios para realizarel grafico del espectro, estos datos son: zona ssmica (Z5), tipo de suelo (S2), factor decorreccin, tipo de estructura, material, alturas, etc. Todos estos datos sonsuministrados por el estudio de suelo, configuracin de la estructura y el usoque se le dar. Todos los parmetros para realizar el grafico del espectro enesta hoja de clculo (periodo vs. aceleracin) estn basados en la norma paraEdificaciones Sismo resistente Covenin 1756-1 2002

Add New Function lo primero que se hace es darle nombre ESPECTRO, se buscael archivo de texto en Browse, se selecciona los valores de periodo vs aceleracin,el numero 2 indica que el archivo de texto est compuesto de dos columnas de datosy en Display Graph muestra el grafico del espectro

4.6. Define Anlisis Cases en este opcin se definen los casos de anlisis aconsiderar.Un caso del anlisis define como las cargas sern aplicadas a la estructura, y comola respuesta estructural ser calculada. Hay diferentes tipos de casos de anlisis.Ampliamente, los anlisis 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 ser modificar el caso deanlisis denominado DEAD, en el cual vamos a sumar los casos estticosdenominados CM y PP, CP = CM + PP

Anlisis Case data

Anlisis no lineal Cargas aplicadas en este caso de anlisis

ANALISIS MODALSe crean los casos de Sx y Sy

Combinacin ModalSe usa para combinar las respuestas modales en el anlisis espectral. La eleccin depende del criterio del Ingeniero Calculista.- CQC: este es el mtodo de Combinacin Cuadrtica Completa, descrito porWilson, Kiureghian and Bayo (1981). Esta tcnica de combinacin modal tomaen cuenta, el acoplamiento probable entre modos muy cercanos, causadospor el amortiguamiento modal incrementa el acoplamiento entre modos muycercanos. Si el amortiguamiento modal es cero (0) para todos los modos, entonces el mtodo CQC degenera en el mtodo SRSS.- SRSS: este es el mtodo de la Raz Cuadrada de la Suma de los Cuadrados.Esta tcnica de combinacin modal no toma en cuenta el acoplamiento entremodos como lo hacen los mtodos del CQC O El GMC.- ABS: este es el mtodo absoluto. Esta tcnica de combinacin modalsimplemente combina los resultados modales tomando la suma de susvalores absolutos. Este mtodo es usualmente conservador.- GMC: este es el Mtodo General de Combinacin Modal, tambin conocidocomo el mtodo de grupta. Es semejante al CQC tomando en cuenta elacoplamiento de modos cercanos, y tambin incluye la correlacin entremodos con contenido de respuesta rgida

4.7. Define Mass SourceEl origen de las masas en SAP2000, se refiere a la determinacin de las masasSsmicas que participaran en el anlisis dinmico, basado en los criteriosestablecidos en el captulo 7 Coeficiente Ssmico y Espectro de Diseo de laNorma de Edificaciones Sismorresistentes, articulo 7.1 Coeficiente Ssmico paraEdificaciones, donde especifica que a la carga permanente se le aadir 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 ESTATICOSYE: SISMO ESTATICO

5. Men DRAWEsta opcin es muy utilizada durante toda la realizacin de la geometra del modelo aanalizar, en la parte izquierda de la pantalla se tienen algunos de los iconos msutilizados que son similares a los usados en el Auto CAD.

Una vez dibujado el primer prtico con sus respectivos perfiles podemos optar por diferentes alternativas de dibujo, manual automtico con el comando replicar

PORTICO (1)

5. Men EDITEste men de comandos es muy importante porque contiene una gran cantidad deacciones a la hora de realizar un modelo estructural en SAP2000.

Ya dibujado el primero prtico lo seleccionamos y replicamos varias veces segn lasdistancias requeridas, sern 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 eseprtico de la misma forma que se hizo con el anterior 1 vez a 4.10 m, 1 a 4,30 m y 1a 4 m. todos estos pasos se realizan en el men:

Listo el replique de los prticos, dibujaremos las correas y los detalles que faltan,para esto utilizaremos la opcin de dibujo rpido de vigas secundarias. Primero enpantalla tendremos una vista en el plano XY a la altura de Z = 3 m y hacemos clic enel icono o nos podemos ir al men Draw Quick Draw Secondary Beams

Debido a que existe un grid entre los prticos 3 y 4 no se pueden dibujar las correascon el comando , entonces usaremos otro del men Edit Divide Frames,primero seleccionamos las vigas que se encuentran entre los prticos 3 y 4 y luegolas dividimos. Despus de divididas dibujamos las correas con y las seleccionamos todas para replicarlas a los pisos siguientes. Tambin dibujaremos el volado y lo replicaremos al piso siguiente

Para completar la geometra de la estructura falta la escalera para ello debemoscrear unas lneas de referencia en la direccin de z en la mitad de cada entrepisopara dibujar los descansos. Estas coordenadas sern Z = 1,5m; Z = 4,5m y Z = 7,5m.Haciendo clic sobre el botn derecho del mouse sobre la pantalla grafica del

Programa aparecer la lista de opciones, seleccionamos Edit Grid Data y editamos la malla en la direccin del eje Z agregndole nuevas coordenadas

Nos vamos al plano XY a la coordenada Z = 1.5 y dibujamos el descanso de laescalera 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 direccin de los grid que eneste caso ser en la direccin del eje Y.

Dibujamos un perfil UPN 200 entre los prticos 3 y 4, la seleccionamos ydibujamos un punto en la interseccin de los ejes 3 y F. verificamos el numerode etiqueta que le fue asignado por defecto al punto y nos vamos al men 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 ser definida por un punto mediante su nmero 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 utilizaremosun artificio para dibujarlo.Dibujamos una lnea de 0,738 m de longitud en la mitad de lo que ser eldescanso.Copiamos el numero de ID del punto final de la lnea y dibujamos lo que serla curva.

Repetimos el paso anterior en Edit Edit Curved Frame/cable

Dibujamos sobre las lneas guas, que nos creo el programa, los perfiles quevan en cada caso y se eliminan las lneas 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 maspara la escalera y el techo como lo indica la figura siguiente:

6. Men ASSIGN6.1. Para asignar los empotramientos en la base de las columnas seleccionamos labase de la estructura y nos vamos al men Assign Joint Restraints yseleccionamos restriccin de empotramiento

6.2. Se dibujara y asignaran las losas, con una vista en planta (plano XY) a la alturade Z = 3m, el comando que usaremos ser del men Draw Draw Rectangular Area

Se dibujaran las losas entre columnas, en este caso dibujaremos primero la losacerodel 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 anlisis de la forma correcta y las correas seancargadas, deber hacerse la divisin de la losa en reas ms pequeas ya que esteprograma se basa en la teora de elementos finitos

SELECCION Para el Mesh

UNA VEZ REALIZADO EL MESH, LE ASIGNAMOS LAS CARGAS Y LA REPLICAMOS6.4. Cargar la Estructura. Segn la Norma Covenin Mindur 2002-88 Criterios yAcciones Mnimas 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/ m2270 Kg/ m2Carga Variable.- Uso: Vivienda 175 Kg/ m2 Techo:Carga Permanente.- Impermeabilizacin 10 Kg/ m2- Pendiente de Techo 100 Kg/ m2110 Kg/ m2Carga Permanente.- Escaln tipo Graveuca o Similar 100 Kg/ m2Carga Variable 300 Kg/ m2Nota: El peso propio de la estructura lo toma en cuenta el programa para el anlisis.

Una vez cargadas se replican y se cambian las cargas del techo.Para el dibujo de la losa de la escalera y la asignacin de la carga se repiten lospasos anteriores.

6.6. Assign Joint ConstraintsEsta opcin es para asignarle a la estructura un diafragma rgido, para realizar elanlisis dinmico segn la norma sismorresistente actual 1753-2001.

6.7. Elegir bajo que norma se va regir el diseo.Design - Steel Frame Design - View/Revise prefEl programa por defecto toma la norma china, la cambiaremos por la norma LRFDdel 99.Para que el diseo sea para un nivel de diseo 3, se disean los elementos para unSpecial Moment Frame (SMF) como lo indica la norma Covenin 1618:1998Estructuras de Acero para Edificaciones. Mtodos de los Estados Limites, en latabla C-3.1 (a) Correspondencia entre los Tipos Estructurales definidos en estaNorma, los de la Norma Covenin Mindur 1756 98 y los de las NormasNorteamericanas (AISC, UBC, etc.)

6.8. Define CombinationsUna combinacin en SAP2000, tambin llamada combo, es combinacin de losresultados de uno o ms casos de anlisis y/o otras combinaciones. Cuando unacombinacin 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 anlisis incluido y/ocombo son sumados.- Tipo Absoluto (Absolute Add): los valores absolutos de los resultados del casode analisis incluidos son sumados.- Tipo SRSS (SRSS): se calcula la raz cuadrada de la suma de los cuadradosde los resultados del caso de anlisis incluido y/o los combos.- Tipo envolvente (envelope): se envuelven los resultados de los casos delanlisis incluido y/ o combos para encontrar los valores mximos y mnimos.Segn la norma vamos a tomar las combinaciones que trae por defecto y laseditamos adaptndolas a nuestras combinaciones.

Las combinaciones son las indicadas en la Norma Covenin 1618:1998 Estructurasde Acero para Edificaciones. Mtodos 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. Men Analyze

Una vez completa la estructura se puede mandar hacer el anlisis de la misma en elmen Analyze existen varias opciones, la primera Set Anlisis Options es paradefinir el tipo de anlisis que realizara, en Set Anlisis Cases to Run se eligen loscasos de anlisis que se van a tomar en cuenta en la corrida y Run Analysis es paramandarlo a correr

mos clic en la ltima opcin o en el icono > y veremos la siguiente ventana,que indica los casos de anlisis y le hacemos clic en Run Now para correrlo

Inmediatamente despus de la corrida, la primera pantalla que muestra el programaes la deformada por CP (carga permanente)

8. Men DisplayUna vez corrida la estructura toda la informacin numrica y grfica se puede ver enel men Display.

En esta opcin se pueden ver las deformaciones de la estructura causadas por cadacaso de carga y por las combinaciones.

Display Show Forces/ StressesEn esta opcin se pueden ver los diagramas de corte, momento, fuerza axial yesfuerzos en todas las direcciones de cada elemento estructural y losas, para cadacaso de carga y combinacin.

Si hacemos clic con el botn derecho del Mouse sobre cualquier elemento podremosver los valores y todos los diagramas del elemento seleccionado

Esta opcin nos muestra todos los resultados del anlisis y diseo, tambin nosmuestra 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 obtenidossegn las necesidades del usuario.Model DefinitionTables imprime todas las tablas referentes al modelo geomtrico,los grid, las distancias, coordenadas respecto a los ejes globales, etc.Analysis Results Tables imprime todos los resultados del anlisis tales como; lasfuerzas en los nodos y elementos, los desplazamientos, las reacciones en la base, elanlisis espectral, etc.Design Results Tables muestra los datos para el diseo de las secciones y laspropiedades de las secciones utilizadas segn sea el caso (acero o concreto)9. Men DesignLas capacidades de diseo del programa pueden usarse en objetos elemento/ cablecuya propiedad de seccin sean materiales de concreto, acero o aluminio.Para el diseo en acero y aluminio, el programa puede seleccionar automticamenteuna seccin ptima de una lista que el usuario defina

9.1. Design Start Design/ Check of Structure.Al activar esta funcin el programa analizara elemento por elemento de la estructuradiseando por corte, momento y fuerza axial para cada uno de los casos de carga ycombinaciones. Despus que se mande a disear, al tocar cualquier elemento yhacer clic con el botn derecho del Mouse sobre el, se desplegara una ventana contoda la informacin sobre el diseo

Para ver ms detalles se presiona la opcin Details y se vern los resultados deldiseo de la seccin. En el caso que no chequee la seccin se desbloquea la corrida

10 VERIFICACION DE LOS DESPLAZAMIENTOSDISPLAY ANALYSIS RESULTS TABLE.