Curso Basico de SAP 2000

ANÁLISIS Y DISEÑO

ASISTIDO POR

COMPUTADORA

CURSO DE SAP 2000 (BÁSICO)

M. en I. Carlos Villaseñor M.

¿Qué es el Análisis

Estructural?

El Análisis Estructural es la predicción de la respuesta de

una estructura dada sometida a cargas prescritas y/u otros

efectos externos tales como desplazamientos impuestos y

cambios de temperatura.

Modelo Analítico

Cargas Gravitacionales

Cargas Laterales

Desplazamientos Impuestos y/o Cambios de Temperatura

Respuesta de la

Estructura

¿Cómo Responde una

Estructura?

Análisis Estructural

Elementos Mecánicos

Desplazamientos

Modos de Vibrar

INGENIERÍA ESTRUCTURAL

Como cualquier tópico de ingeniería, el desarrollo de un procedimiento de análisis debe utilizar suposiciones que conduzcan a simplificaciones e idealizaciones útiles.

Es importante estar bien familiarizados con estas suposiciones básicas desde un principio, y reflexionar sobre su significado y consecuencias en la medida en que se desarrollan diferentes métodos de análisis.

En términos simples, la ingeniería estructural consiste en etapas tanto del análisis como del diseño de un sistema estructural. Los objetivos del análisis, en su mayor parte, se refieren a la determinación de fuerzas y desplazamientos de una estructura dada. Luego, en el diseño nos ocupamos de la selección y detalle de los componentes que conforman el sistema estructural. Estos dos aspectos en la práctica son inseparables.

Análisis Estructural

Cálculo de Elementos Mecánicos

¿La Capacidad de los

Elementos es Suficiente?

Redimensionamiento de los Elementos

Estructurales

Diseño

Preliminar

Diseño Final

SI

NO

El análisis completo de una estructura suele requerir el conocimiento de los tamaños de todos los miembros, que a su vez están determinados por decisiones de diseño.

Las decisiones de diseño deben basarse en el conocimiento de las fuerzas internas en la estructura que resultan del análisis. Al inicio del proceso el ingeniero debe hacer estimaciones iniciales. Esto puede constituir un diseño “preliminar”, el cual define temporalmente el tamaños de los miembros.

Esta situación es típica de la interacción entre el análisis y el diseño. El proceso de ingeniería en su conjunto es claramente cíclico.

SISTEMAS

ESTRUCTURALES

y es utilizado ampliamente en

edificios, puentes, torres de transmisión,

naves industriales, etc.

El ensamblaje total suele

denominarse armazón o esqueleto

Las estructura de ingeniería

consisten en un ensamblaje de

miembros individuales.

SISTEMAS

ESTRUCTURALES

MODELADO DE ESTRUCTURAS

Las idealizaciones tratan directamente

con:

La geometría general.

La sección transversal de los

elementos.

El comportamiento del material.

La conexión entre sí de los miembros.

Las conexiones de los elementos de la

frontera con los apoyos.

Uno de los pasos más importantes en cualquier análisis, es el proceso de formulación de un modelo de a estructura real, susceptible de un tratamiento matemático relativamente sencillo.

Este paso consiste en adoptar una serie de idealizaciones y simplificaciones con la intención de reducir la complejidad del problema, así como de retener las características “primarias” importantes del comportamiento.

COMPORTAMIENTO LINEAL DEL

MATERIAL Y SUPERPOSICIÓN

Debe conocerse el módulo de elasticidad “E” de cada material

para cualquier cálculo de desplazamientos.

Una consecuencia directa de la suposición del comportamiento

lineal es la validez del “principio de superposición”:

La respuesta de una estructura, debida a un número de cargas aplicadas simultáneamente, se

obtiene mediante la suma de las respuestas de las cargas

individuales, aplicando por separado cada una de ellas a la

estructura.

La respuesta de una estructura es medida tanto por sus

desplazamientos como por las fuerzas internas que desarrolla.

Otro requisito para que el principio de superposición sea válido es

que, al descargar un miembro , el desplazamiento debe seguir

exactamente la misma trayectoria carga-desplazamiento que tuvo durante el proceso de cargado.

PRINCIPIO DE

SUPERPOSICIÓN

El análisis total de la repuesta de una estructura consiste en obtener las reacciones en los apoyos, los elementos mecánicos en los miembros y los desplazamientos en diferentes puntos

Esta respuesta total, debida a un número de cargas que actúan simultáneamente, se puede obtener mediante la suma de las respuestas a las cargas individuales, aplicando por separado cada una de ellas a la estructura. Condición de

carga 01

Condición de

carga 02

TEORÍA DE LOS DESPLAZAMIENTOS

PEQUEÑOS Y NO LINEALIDAD

GEOMÉTRICA

Además de la no linealidad

del material, algunas

estructuras pueden

comportarse de manera no

lineal debido al cabio de

forma de toda la estructura.

Los desplazamientos

pueden ser tales que

afecten las relaciones de

equilibrio de la estructura.

Cuando esto sucede se dice

que la estructura es

“geométricamente no

lineal”.

Se observa que no es

posible predecir el valor del

momento de empotramiento

en “a” si sustituimos por

una fuerza 2P.

En cambio, por la teoría de

los desplazamientos

pequeños, el valor Δ en

relación con la dimensión

del elemento sería muy

pequeño y por lo tanto

despreciable , de modo que:

M P L +( )= P L=

0

Si f P( )= entonces el momento de

empotramiento M P L f P( )+( )= o bien

M P L P f P( )+=

CONDICIONES DE CARGA

•Carga muerta por peso propio

•Carga muerta por sobrecarga de acabados, elementos no estructurales, cancelería, instalaciones, etc.

•El empuje estático de suelos y de líquidos

•Presfuerzos

•Movimientos diferenciales permanentes de los apoyos

PERMANENTES

•La carga viva

•Carga viva instantánea

•Carga viva máxima

•Los efectos de temperatura

•Las acciones debidas al funcionamiento de maquinaria y equipo (efectos dinámicos debidos a vibraciones, impacto o frenado)

VARIABLES

•Sismo

•Viento

•Nieve

•Granizo

•Explosiones

•Incendios

•Otros eventos extraordinarios

ACCIDENTALES

ANÁLISIS SÍSMICO

Los sismos hacen que el suelo se acelere en las direcciones horizontal y vertical. Estas aceleraciones se expresan a menudo en términos de “g’s”, la aceleración de la gravedad.

Cuando la base de una estructura se sujeta a una aceleración súbita del suelo, fuerzas de inercia se desarrollan de acuerdo con la segunda ley de Newton .

A menudo se lleva a cabo un análisis dinámico detallado, basado en las ecuaciones de movimiento de Newton. El análisis por computadora es el único medio capaz de efectuar dicho estudios.

EFECTOS DE TEMPERATURA Y

DEFECTOS DE FABRICACIÓN

• Cuando varía la temperatura de una estructura o de alguno de sus miembros, el material tenderá a expandirse en forma que por lo común se supone directamente proporcional al cambio de temperatura, esto se expresa como:

TEMPERATURA

• Es importante observar que si la estructura es libre para “respirar”, entonces los desplazamientos ocurrirán sin esfuerzos internos.

• Cuando ocurren desplazamientos impuestos en la estructura ya sea por errores de fabricación o asentamientos diferenciales, entonces se inducen esfuerzos sobre los elementos estructurales.

ERRORES DE FABRICACIÓN O

DESPLAZAMIENTOS IMPUESTOS

COMBINACIONES DE CARGAS Y

SEGURIDAD ESTRUCTURAL

• Cualquiera o todas la cargas mencionadas con anterioridad pueden actuar sobre una estructura en un momento dado. Sin embargo, se requiere de algún juicio para evitar cargas pesadas excepcionales muy poco probables de suceder.

• No debería esperarse que existieran en forma simultánea en la estructura un terremoto total y una carga máxima debida al viento.

• Los proyectos estructurales más importantes implicarán de manera inevitable una evaluación racional de la posibles combinaciones de carga, a la luz del riesgo que significa una falla.

COMBINACIONES DE CARGA

• Los conceptos de seguridad estructural están basados en los principios de la probabilidad

SEGURIDAD ESTRUCTURAL Y PROBABILIDA DE

FALLAS

Combinación de Carga 01

Combinación de Carga 02

Factor de

Carga

Factor de

Resistencia

DIAGRAMA DE FLUJO PARA MODELADO Y

ANÁLSIS DE RESPUESTA DE UN SISTEMA

ESTRUCTURAL CON EL PROGRAMA SAP 2000

Creación de un Modelo Nuevo:

•Definición de las unidades.

•Definición de la matriz o retícula.

Definiciones Generales:

•Materiales

•Secciones de los elementos

•Cargas básicas: (CM, CV, etc.)

•Condiciones de carga

•Espectros para análisis sísmico

•Combinaciones de carga

Estructuración

•Trazado de los elementos estructurales lineales.

•Trazado de elementos de área.

• Interconexión entre los elementos.

Restricciones en los Nudos

•Condiciones de apoyo en los elementos de frontera.

•Definición de la rigidez de las condiciones de apoyo.

Asignación Condiciones de Cargas • Asignación de cargas

en los nudos o juntas de unión entre los elementos

• Asignación de cargas sobre el claro del elemento.

• Asignación de desplazamientos prescritos

• Asignación de gradientes de temperatura.

Análisis el Modelo

Revisión y Verificación de Desplazamientos Bajo las

Diferentes Combinaciones o

Condiciones de Carga Definidas Previamente

Revisión y Reporte de Reacciones y Elementos

Mecánicos Diseño Estructural

MODELO MATEMÁTICO 2D ó 3D CON GRADO DE DETALLE ADECUADO

Estructuración

Resultados Requeridos

Parámetros: • Cargas.

• Condiciones de apoyo.

• Propiedades de los elementos.

• Materiales.

MODELOS ESTRUCTURALES

Lo anterior nos lleva a establecer ciertos criterios para abordar otro tipo de problema: y éste es encontrar el

balance entre los resultados que se requieren obtener y el grado de detalle con el que se debe desarrollar el modelo:

Si tenemos un modelo demasiado detallado es probable que los resultados

resulten sesgados por causa de errores en el modelo (nudos sueltos, elementos que falten de definir, condiciones de apoyo no

realistas, etc.).

El criterio y la intuición necesarios para desarrollar un modelo estructural en forma

óptima, se adquiere teniendo buenas bases sobre comportamiento estructural y

la experiencia.

En la actualidad con la disponibilidad de mayores recursos de cómputo, prácticamente no existen limitaciones para el

análisis de problemas estructurales:

Podemos realizar modelo esqueletales, combinando

elementos de dos fuerzas y de fuerza múltiple.

Modelos donde se combine elementos barra y elementos placa.

Modelos de esqueletales y modelos de elemento finitos

que interactúen entre si.

PROGRAMA DE CÓMPUTO

SAP2000

SAP es una programa de análisis y diseño estructural de propósito general, el cual está basado en el Método de los Elemento Finitos.

El programa ofrece una interface intuitiva con muchas

herramientas que nos ayudan en la construcción de modelos de

forma rápida y precisa.

El programa está basado en objetos gráficos, esto quiere decir

que los modelos son creados usando miembros que representan elementos

estructurales reales.

INTERFACE GRÁFICA

Barra de comandos

Barra de herramientas: •Definición de secciones transversales de elementos

•Agrupación de elementos

•Definición de materiales

•Definición de apoyos (grados de libertad

•Definición de cargas básicas

•Definición de condiciones de cargas

•Asignación de cargas

•Asignación de desplazamientos

•Control de visualización del modelo

•Número de ventanas

•Grupos de elementos


•Reacciones

•Elementos mecánicos

•Desplazamientos

Barra de trazado •Trazado de elementos línea en diferentes modalidades

•Trazado de elementos área

•Extrusión

•Trazado de elementos sólidos

•Selección de elementos

•Definición de trazado y selección de elementos (Snap)

Barra de estado •Coordenadas de posición

•Unidades de representación del modelo






•Definición de la matriz (malla).


•Materiales






Estructuración












Análisis el Modelo






Vista en plano elevado

(plano YZ)

¿QUÉ ES LA MATRIZ O RETÍCULA?

Como primer paso para la modelación debemos definir una matriz o retícula.

La retícula es un sistema de puntos y líneas auxiliares que nos definen el espacio en que se va a estructurar nuestro modelo.

Las dimensiones estarán definidas por las separaciones entre columnas, trabes, niveles de entrepiso, etc.

Las intersecciones entre la líneas, según el modo de selección nos permite trazar los elementos estructurales que componen modelo.

El programa generalmente divide la interface de trabajo en varias ventanas mostrando diferentes planos del espacio definido por la retícula, siendo posible navegar entre los distintos planos.

Vista en planta de la

retícula

Ubicación actual de la

vista en el espacio








•Materiales






Estructuración












Análisis el Modelo






DEFINICIÓN DE MATERIALES Y

PROPEDADES GEOMÉTRICAS DE LOS

ELEMENTOS ESTRUCTURALES

Definición de materiales:

• Acero

• Concreto

• Otros materiales

Definición de la propiedades geométricas de los elementos estructurales.

Asignación de los materiales a las secciones previamente definidas.

DEFINICIÓN DE CARGAS BÁSICAS,

CONDICIONES DE CARGA Y

COMBINACIONES DE CARGA

Combinaciones de Carga

Combinaciones de Condiciones de Carga para Analizar Desplazamientos,

Asentamientos.

Combinaciones de Carga para Diseño Sísmico.

Combinaciones de Carga para Diseño por Temperatura.

Combinaciones de Carga para Diseño NO Sísmico.

Etc.

Condiciones de Carga

Carga Muerta Total = Carga Muerta + Carga Muerta

Adicional. Carga Viva Máxima. Carga Viva Instantánea. Cargas Laterales Estáticas.

Cargas Laterales Dinámicas.

Carga Básicas Carga Muerta por Peso Propio

• Peso propio de los elementos estructurales que componen el modelo matemático

Carga Muerta (Sobrecarga)

• Carga de elementos no estructurales y no considerados en el modelo.

• Acabados y recubrimientos, muros divisorios

• Plafones e instalaciones

Carga Viva Instantánea Carga Viva Máxima

Cargas Laterales Estáticas

• Viento

• Sismo Estático

• Oleaje

• Corriente








•Materiales






Estructuración












Análisis el Modelo






TIPOS DE OBJETOS

GRÁFICOS EN EL SAP2000

• Esta herramienta nos facilita la selección de los objetos en el modelo.

• Puede seleccionar puntos, elementos lineales, elementos de área.

• También podemos seleccionar más de un objeto haciendo clics sucesivos o manteniendo oprimido el botón principal del ratón y envolviendo los objetos en una ventana.

Herramienta de selección

• Con este objeto podemos colocar un punto directamente picando con el ratón en cualquier parte del área de dibujo o sobre los demás objetos dependiendo del modo de selección

Punto o nudo

• La utilidad principal es trazar elementos estructurales lineales: vigas, trabes, columnas, elementos de armadura.

• Podemos trazar línea nulas, es decir que no tengan asignado ninguna sección estructural, esto es para fines de referencia o trazos auxiliares.

Herramientas de trazado de elementos lineales

• Con esta herramientas es posible representar en el modelo losas, membranas, placas con los grados de libertad correspondientes.

Herramientas de trazado de elementos de área

• Un objeto lineal puede se extruido para formar un área.

• Un objeto de área puede ser extruido para formar un sólido

Herramientas de extrusión

PARTES QUE DEFINEN UN

OBJETO

Nudos, o puntos

terminales de conexión

Elemento línea

Nudos o puntos

terminales de conexión

Elemento área

Nudos o puntos

terminales de

conexión








•Materiales






Estructuración












Análisis el Modelo






TIPOS DE RESTRICCIONES Y

CONEXIONES

Empotramiento

Continuidad del elemento

Apoyo fijo articulado

Apoyo articulado deslizable

Articulación o discontinuidad entre elementos estructurales

ASIGNACIÓN DE CONDICIONES DE

CARGAS

Cargas en los nudos o nodos:

• Debe seleccionarse uno o más nudos, nodos o puntos del modelo.

• Activar el cuadro de diálogo haciendo clic sobre la herramienta.

• Alimentar los datos que se piden como la magnitud, unidades, la condición de carga que corresponde, y los ejes de referencia si son locales o globales.

• Las carga aplicadas pueden reemplazar o sumarse a las existentes.

Desplazamiento predeterminado:

• Esta herramienta es de la misma naturales que la de las fuerzas en los nudos

• El cuadro de diálogo contiene la misma distribución, solo que las magnitudes se refieren a desplazamientos y rotaciones.

Cargas concentradas sobre el claro de los elementos:

• Seleccionamos el elemento lineal (viga, columna, diagonal, etc.).

• Se activa la herramienta.

• En el cuadro de diálogo podemos especificar fuerza o momentos concentrados.

• En la parte inferior del cuadro se especifica la posición relativa de la fuerza con respecto al nodo de inicio del elemento.

Carga distribuida:

• Esta herramienta tiene la misma naturaleza que la de la carga concentrada sobre el claro.

• La diferencia principal la tenemos en los parámetros de posición relativa de la carga podemos variar la magnitud, de manera que obtenemos cargas distribuidas variables.

• Si tenemos una carga uniformemente distribuida usamos el control que aparece en la parte inferior del cuadro de diálogo.

Temperatura:

• Podemos asignar una condición adicional de carga que son las cargas inducidas por la expansión térmica de los elementos estructurales.

• Se selecciona el elemento y dependiendo de las unidades activas del modelo , se inserta la magnitud de la temperatura que puede se en °C o °F.

ASIGNACIÓN DE CONDICIONES DE

CARGAS

Cargas uniformes sobre áreas:

• Debe seleccionarse el o los elementos de área.

• Activar el cuadro de diálogo haciendo clic sobre la herramienta.

• Alimentar los datos que se piden como la magnitud, unidades, la condición de carga que corresponde, y los ejes de referencia si son locales o globales.

• Si se selecciona “carga gravitacional” entonces la magnitud es positiva.

• Las carga aplicadas pueden reemplazar o sumarse a las existentes.

Temperatura:

• Podemos asignar una condición adicional de carga que son las cargas inducidas por la expansión térmica de los elementos estructurales.

• Se selecciona el elemento y dependiendo de las unidades activas del modelo , se inserta la magnitud de la temperatura que puede se en °C o °F.








•Materiales






Estructuración












Análisis el Modelo






ANÁLISIS ESTRUCTURAL

Análisis Tridimensional:

• Edificios.

• Estructuras 3D.

Análisis de Estructuras Planas (Plano XZ):

• Marco.

• Armaduras.

Análisis de Parrillas o Retículas (Plano XY):

• Sistemas de piso.

• Losas de cimentación.

Análisis de Armaduras Tridimensionales:

MODELO MATEMÁTICO 2D ó 3D CON GRADO DE DETALLE ADECUADO

Estructuración

Resultados Requeridos

Parámetros








•Materiales






Estructuración












Análisis el Modelo






RESULTADO Y REPORTES

Perfil Deformado de la Estructura:

• Muestra los desplazamientos inducidos por la condición o combinación de carga seleccionada.

• Los desplazamientos se obtienen directamente de la pantalla acercando el ratón al nudo deseado y están referidas a las coordenadas globales.

• Las magnitudes dependen de la unidades activas del modelo.

Reacciones y Elementos Mecánicos:

• Muestra las reacciones en los apoyos en 2D y 3D.

• Muestra los elementos mecánicos en 2D y 3D.

• En el caso de elementos placa, muestra los esfuerzos como resultado de análisis de elementos finitos.

Reportes en tablas:

• Información del modelo: coordenadas de nudos, definición de materiales, secciones, cargas, conectividades, numeración de nudos y miembros.

• Respuesta obtenida en nudos del modelo: desplazamientos, reacciones, velocidad y aceleraciones, y masas.

• Respuesta obtenida en los elementos estructurales: elementos mecánicos y desplazamientos en miembros de marco, miembros de área (placas, membranas y losas).

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