DISEÑO Y CALCULO DE ESTRUCTURAS UTILIZANDO EL PROGR AMA SAP 2000

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 ANALISIS, SIN EMBARGO, EL USUARIO

DEBE ENTENDER Y ACEPTAR QUE NO EXISTE NINGUNA GARANTIA

EXPRESADA EXPLICITA 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 EXPLICITAMENTE LA TEORIA DE ANALISIS Y

DISEÑO DE ESTRUTURAS; POR LOQ UE ESTA EN LA OBLIGACIÓN DE

VERIFICAR LOS RESULTADOS QUE ARROJE EL PROGRAMA.

Algunos conceptos:

• Grid: son líneas imaginarias, no son vigas, ni columnas, ni ningún elemento

estructural.

• Shell: elemento que se deforma en su plano y fuera de su plano.

• Membrana: cuando es muy delgada se utiliza para modelar techos,

losacero, se deforma en su plano, se utiliza para modelar losas armadas en

dos direcciones.

• Diafragma rígido: permite que la losa se mueve como un todo,

fundamentalmente en análisis sísmico.

• Conectividad: en las vigas y columnas.

1.- Sistemas de unidades:

El SAP 2000 trabaja con cuatro unidades básicas: fuerza, longitud,

temperatura y tiempo. El tiempo siempre es medido en segundos.

2.- Crear un archivo nuevo.

Filed---New Model.

Al crear un nuevo modelo aparece la siguiente ventana, donde muestra los

modelos predeterminados por el programa, pero para nuestro caso elegiremos la

opción de Grid Only, para definir la geometría de la malla que vamos a trabajar.

3.- Crear la malla

Para introducir la geometría de la malla se trabajara en metros. En un sistema de

coordenadas cartesianas o cilíndricas según el diseño. Para nuestro caso se

escoge cartecianas.

Number of grid lines: es la cantidad de líneas de la malla. Tanto

Para el eje X,Y y Z.

Grid spacing. (Distancias entre líneas de la malla)

X= , Y= , z= .

Posteriormente aparecerá en la pantalla dos ventanas con vista de la malla creada, una vista en 3d (derecha) y la otra en el plano XY con las dimensiones que se le dieron al programa anteriormente.

El siguiente paso es editar la malla según el diseño propuesto. Para ello le damos click botón derecho y en la ventana que aparece seleccionamos edit grid lines.

OPCIONES PARA EDITAR LA MALLA

OPCIONES DEL MENU VIEW.

Agregar un nuevo sistema de coordenadas

Agregar copia del sistema de coordenadas.

Modificar o mostrar el sistema de coordenadas.

Seleccionamos la opción de modificar o mostrar el sistema de coordenadas

En la ventana para editar la malla se observan todas las coordenadas existentes en las direcciones de los ejes, en donde modificaremos para poder adaptarla a nuestro modelo.

4.- Menú DEFINE.

Propiedades de los materiales

Propiedades de sección

Origen de las masas para el análisis sísmico

Sistema de coordenadas

Constrains de la juntas

Patrones de las juntas

Grupos

Secciones de corte.

Funciones

Patrones de Cargas

Casos de carga

Combinaciones de cargas

Cargas para puentes

De la opción propiedades de la sección aparece las siguientes opciones:

Secciones de los elementos

Secciones de los cables

Secciones de las áreas

Propiedades de los sólidos.

De la opción funciones aparecen las siguientes opciones:

spectrum

4.1.- definir Materiales: menú--- define---materiales.

Añadir un nuevo material

Añadir y copiar de otro material

Modificar y mostrar el material

Seleccionamos la opción de añadir un nuevo material, apareciendo esta ventana:

En esta ventana se le colocaran todos los datos que el programa nos pide para el material que estamos añadiendo entre los cuales tenemos: densidad del material (weight per unit volumen), masa por unidad de volumen ( mass per unit volumen), módulo de elasticidad y radio de poisson´s.

Luego en otras propiedades de los materiales se colocan los fc y fy para el caso de los concretos y los fy y fu para los caso de los aceros.

4.2. Definir las secciones de los elementos (vigas y columnas)

Menú----define---section propierties---frame sections.

Seleccionamos la opción frame sections y aparece la siguiente ventana.

En ella vamos a seleccionar add new property (añadir nueva propiedad) y en la ventana siguiente le indicamos al programa todos los datos del elemento que vamos a crear para el diseño de la estructura.

Para elementos estructurales en acero

Y dándole click en la pestaña de la ventana podemos cambiar el material para crear elementos (frames) de concreto.

Luego se selecciona si el elemento es rectangular, circular, entre otros.

En esta ventana se le indica al programa las dimensiones del elemento y en concrete reinforcement le indica al programa el acero de refuerzo del elemento, si es una viga o columna, si es rectangular o circular, entre otras opciones.

4.3 definir las secciones de áreas

Menú---define----section propierties---- area sections

En esta ventana seleccionamos incluir nueva sección

(add new sections)—y en la ventana que aparece se

Cambia el nombre para el elemento que estamos

Creando ya sea tipo Shell, membrana o plate.

En thicknes se coloca el espesor de la losa a diseñar

También se escoje el material previamente creado.

Shell: elemento que se deforma en su plano y fuera de

su plano, permite modelar losas, muros o placas

Macizas.

Membrana: elemento que se deforma en su plano y no

Permite ninguna deformación fuera de su plano.

Permite modelar techos simplemente apoyado, debido que transmite su carga a las correas por ancho tributario, como las losacero, losa de tabelones, techos livianos, tejas etc.

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 carga sea en un sentido fundamental pero se vincula rígidamente a sus apoyos por ejemplo una losa nervada.

ANALISIS DE CARGA:

Cargas permanentes:

Tabiquería………….150 kg/m2

Bloques……………5 kg/m2

Piso acabado……..50 kg/m2

Friso……………….30 kg/m2

Total cp:…………..235 kg/m2

Carga Viva: CV

Según uso de la edificación: viviendas 175 kg/m2

Carga viva de techo CVT: 50 kg/m2.

COMBOS PARA ESTRUCTURAS DE CONCRETO ARMADO

Combo 1: 1,4 cm + 1,4 pp

Combo 2: 1,2 cm + 1,2 pp + 1,6 cv +0,5 cvt

Combo 3: 1,2 cm + 1,2 pp + cv + 1,6 cvt

Combo 4: 1,2 cm + 1,2 pp + cv + 0,5 cvt

Combo 5: 1,2 cm +1,2 pp +cv + sx + 0,3 sy

Combo 6 : 1,2 cm + 1,2 pp + cv + 0,3 sx + sy

Combo 7: 0,9 cm + 0,9 pp

Combo 8 : 0,9 cm + 0,9 pp + sx + 0,3 sy

Combo 9: 0,9 cm + 0,9 pp + 0,3 sx + sy

COMBOS PARA ESTRUCTURAS DE ACERO

ACERO 1: 1,4 cm + 1,4 pp

ACERO 2: 1,2 cm + 1,2 pp + 1,6 cv +0,5 cvt

ACERO 3: 1,2 cm + 1,2 pp + cv + cvt + sx + 0,30 sy

ACERO 4: 1,2 cm + 1,2 pp + cv + cvt + 0,30 sx + sy

ACERO 5: 0,9 cm + 0,9 pp + sx + 0,3 sy

ACERO 6: 0,9 cm + 0,9 pp + 0,3 sx + sy

DEFINICION DE LOS CASOS DE CARGA

Las cargas ejercen acciones sobre la estructura tales como fuerza y presión

MENU---DEFINE---LOAD PATTERNS

En esta ventana se colocaran los patrones que van a regir las cargas tales como:

Pp dead 1

Cp superdead 0

Cv live 0

Cvt reducelive 0

Sx quake 0

Sy quake 0

Define---- functions-----response spectrum

Definir el espectro de diseño, las funciones sap 2000 sirven para describir como

varia una función de periodo o tiempo. Solo se necesita para ciertos tipos de

análisis, no se usa para el análisis estático. Una función es una serie de pares de

datos de abscisa-ordenada.

Define---functions---- response spectrum

En la hoja de cálculo de excel suministrada esta el espectro tipo para la zona sísmica 5 donde se encuentra el municipio san Cristóbal, esta hoja posee los siguientes datos:

Zona sísmica 5

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 la hoja de cálculo

(periodo vs aceleración) están basados en la norma para edificaciones

sismoresistentes 1756-1 2002.

Para introducir el espectro en el sap debemos crear un archivo de Excel que sea

de texto delimitado por tabulaciones.

Define--- response pectrum functions

Seleccionamos en la primera casilla ----- spectrum fron file lo que quiere decir

que vamos a importar el espetrum desde un archivo.

Luego en la ventana siguiente seleccionamos browse para buscar el archivo de

texto con terminación. TXT. Se seleccionan los valores d periodo vs. Value el

numero 2 indica que el archivo está compuesto por dos columnas de datos y en

display graph muestra la grafica del espectrum.

Luego vamos a define----- análisis cases

En esta opción le decimos al programa los análisis de casos a considerar

En esta ventana realizaremos 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

se crean los casos para sx1 y sy1.

Los sx1 y sy2, usa para combinar las respuestas modales en el análisis espectral.

La elección depende del criterio del ingeniero calculista.

CQC: este es el métodos de combinación cuadrática, toma en cuenta, el

acoplamiento 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 nodos entonces el método CQC degenera en el

método de SRSS.

SRSS: este es el método de la raíz cuadrada de la suma de los cuadrados. Esta

técnica no toma en cuenta el acoplamiento entre modos como lo hacen el CQC y

el GMC.

Luego vamos a crear los casos dinámicos para sx y sy.

Lo primero es cambiar los nombres de los sx y sy estáticos y para ello se le añade

una letra E a cada uno para diferenciarlos de los sx y sy dinamicos.

Luego creamos los sx y sy dinámicos.

Luego en el caso de análisis MODAL le indicamos al programa cuantos modos

debe analizar la estructura, siendo 3 grados de libertad por el número de pisos de

la edificación:

En la casilla de number of modes se coloca el modo máximo de modos y el

mínimo.

Define---- Mass sourse…

Se refiere a la determinación de las masas sísmicas que participan en el análisis

que participan en el análisis dinámico, basado en los criterios en las normas de

edificaciones sismorresistentes. Donde se especifica que a la carga permanente

el 100% y la carga variable de los pisos el 25%. Donde:

SX: SISMO ESPECTRAL EN X (DINAMICO) SY: SISMO ESPECTARL EN Y (DINAMICO) SXE: SISMO ESTATICO SYE: SISMO ESTATICO

De los elementos pp y masas adicionales De las cargas De los elementos (pp), masas adicionales y las cargas.

Nota: si se escoge el segundo caso from loads hay que añadir el peso propio, sin

embargo para el tercer caso from elements and aditional mases, no se puede

introducir el peso propio ya que el programa lo tomaría dos veces en el análisis

sísmico.

5.- menú DRAW

Esta opción es muy usada durante toda la realización geométrica del modelo a

diseñar y analizar, los iconos de dibujo del sap son muy similares a los del

autocad.

Dibujo de puntos

Dibujo de líneas

Dibujo de áreas

Dibujo de vistas

Dibujo de puntos de referencia

Dibujar o editar líneas de referencias.

Con esta opción vamos a asignar las secciones de la estructura.

Con esta opción vamos a signar las losas de la estructura.

6.- menú ASSIGN

Para asignar los empotramientos a la base de las columnas seleccionamos la base de la estructura y nos vamos al menú assign----joint---restraints y seleccionamos restricción de empotramientos.

Y seleccionamos todas las casillas y le

Damos ok.

Luego asignamos las cargas para los elementos de la estructura ya sea carga permanente o muerta y carga viva y carga viva de techo.

Lo realizamos de la siguiente manera:

Seleccionamos primero el elemento que vamos a cargar:

En esta ventana seleccionamos la viga que se va a cargar, previamente se deben haber calculado las reacciones de las losas nervadas para traer esas reacciones a estas vigas.

Nota: las vigas seleccionadas deben verse en líneas punteadas.

Luego seleccionamos el tipo de carga si es carga permanente o carga viva y colocamos el valor de la carga en la casilla que indica load.

Luego de haber cargado la estructura, con click derecho en la ventana que aparece se selecciona loads y se observa que cargas posee el elemento y de esta manera chequeamos las cargas introducidas a la estructura.

Luego revisamos la norma con la que se está realizando el análisis de la edificación.

Luego de revisar la norma y los parámetros de diseño para concreto seleccionamos la opción de análisis.

Posteriormente seleccionamos la opción de run (correr el programa)

Y esperamos que el programa analice la estructura, indicándonos en un cuadro que le análisis fue completo o deformando la estructura en la ventana de 3-d.

CHEQUEO DE LA ESTRUCTURA:

1.- lo primero que debemos realizar es comparar el periodo fundamental que da el programa con el de cálculo mediante la fórmula. (norma sísmica), este periodo debe ser menor o igual al de cálculo.

Al programa se le pide el periodo de la siguiente manera, luego de haber corrido la edificación.

Y se compara con el resultado del modo 1

2.- Luego se le da en el icono de diseño en concreto:

Y esperamos que el programa revise cada uno de los elementos en concreto de la estructura indicando mediante una escala de colores si el elemento viga o columna está bien o se debe cambiar por otra dimensión superior.

3.- Diseño de fundaciones:

Para diseñar las fundaciones para la edificación el programa indica la P (fuerza) para el diseño de las zapatas.

Teniendo conocimiento previo del numero de la junta o nodo en la base se anotan las f3 (z) más desfavorables para realizar el diseño de la fundación manualmente o mediante otro programa.