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Muro Cortina WhitePaper Febrero de 2007

Muro Cortina | WhitePaper | 2

Contenidos 1. Propósito _____________________________________________ 3

2. Regla de mecanizado ______________________________________ 4

3. Propiedades de los Perfiles ___________________________________ 6

3.1. Datos Estructurales ____________________________________________ 6

3.2. Datos Generales ______________________________________________ 9

4. Propiedades de las Piezas____________________________________ 10

5. Propiedades de los Vidrios ___________________________________ 11

6. Propiedades de la Materia Prima _______________________________ 12

7. Análisis Estructural en PrefCAD ________________________________ 16

7.1. Editar las propiedades de los Nudos ___________________________________ 16

7.2. Insertar / Editar divisiones por Forjado _________________________________ 17

7.3. Análisis Estructural_____________________________________________ 20

8. Ejemplo Práctico _________________________________________ 24


1. Propósito Este documento va destinado a aquellas personas que tienen la necesidad de realizar un análisis estático de estructuras tridimensionales de muros cortina.

Para que PrefSuite sea capaz de realizar dicho cálculo tendrán que ser introducidos, a través de PrefWise y PrefCAD, un conjunto de propiedades que se detallan a en el presente escrito.

Para realizar esta tarea es necesario tener conocimientos de cómo introducir y establecer propiedades a los materiales en PrefWise, así como tener la capacidad de diseñar modelos en PrefCAD y manejarse con soltura en este entorno.


2. Regla de mecanizado A partir de las reglas de mecanizado se definen los anclajes o nudos del muro cortina. En el programa, los nudos se definen como la intersección de dos perfiles estructurales.

Si existe una regla de mecanizado entre dichos perfiles marcada como estructural obtendremos las propiedades del nudo a través de la pieza generada por esa regla de mecanizado.

Figura 1. Reglas de mecanizado para definir los anclajes o nudos.

Las propiedades de las reglas de mecanizado relevantes para el cálculo estructural son:

• Angulo Mínimo y Angulo Máximo: Para que una regla de mecanizado sea ejecutada en un forjado (divisiones por forjado) el ángulo 180 deberá estar contemplado en el intervalo definido entre estos valores, es decir, Angulo Mínimo <= 180 y Angulo Máximo >= 180.

• Distancia: Separación entre perfiles forjados en previsión a una posible dilatación. Dicha distancia sólo será tenida en cuenta en las divisiones por forjado.

• Orden: Las reglas de mecanizado pueden tener un orden. El valor por defecto del orden es 0. Cuando el campo orden tiene valor 0, significa que esa regla de mecanizado siempre será generada. De las reglas de orden diferente de 0, solo serán generadas todas las reglas del orden seleccionado. Por defecto, el orden seleccionado será el primer orden diferente de 0 insertado en las reglas. El usuario podrá, para cada nudo, especificarle que orden de mecanizado desea aplicarle en el momento en que esté diseñando el muro cortina en PrefCAD. La pieza marcada como estructural del orden seleccionado será la pieza de la que se obtendrán las propiedades del nudo.


• Aplicar: En este campo el usuario indica cuando se aplicará esta regla, dependiendo del valor seleccionado:

o Siempre: La Referencia Inductora se genera siempre.

o Pareada: Existe otra unión próxima que generará las mismas.

o Unión en T: Se genera cuando la unión de mecanizado tenga forma de T.

o Unión en Cruz: Se genera cuando la unión de mecanizado tenga forma de Cruz.

Este campo tiene por defecto el valor “Siempre”. En algunos casos es posible que nos sea útil marcar esta opción con el valor “Pareada”. Para explicar cuando se puede dar este caso, utilizaremos un ejemplo. Dado el caso mostrado en la figura:

Figura 2. Unión pareada.

En la cruz hay dos uniones y por tanto, se generan los materiales de las reglas de mecanizado en las dos. En este caso en que las dos uniones están en el mismo punto, y que por tanto los materiales se van a generar por duplicado, si el usuario quiere que la pieza de una determinada regla sea generada solo una vez (como puede ser el caso de las piezas de forjado a obra en muro cortina), debe marcar en el campo “Aplicar” el valor “Pareada” (para mas información acerca de los tipos de unión, consultar el documento WP2006.3.054. Sistemas de unión).

• Datos Estructurales: Las filas con el mismo Orden (distinto de 0) y Referencia Inductora, tendrán una regla (y sólo una) activada como Datos Estructurales. La pieza generada por la Regla de Mecanizado marcada como Datos Estructurales aportará los valores para el cálculo estructural efectuado con esa unión. En el caso de las Reglas de Mecanizado con orden 0 no se pueden marcar como Datos Estructurales puesto que el orden 0 no puede ser seleccionado en los nudos.


3. Propiedades de los Perfiles Para realizar un análisis estático de estructuras tridimensionales de muros cortina correctamente, es necesario especificar en aquellos perfiles que lo compondrán una serie de datos. Con estos datos, el programa realizará los cálculos pertinentes de la estructura. En este apartado, detallaremos cuales son estos datos.

3.1. Datos Estructurales Son los datos necesarios de los perfiles para el cálculo estructural de muro cortina. Para acceder a los mismos, nos posicionaremos en el apartado “Muro Cortina”, que se encuentra dentro del grupo “Materiales”, en PrefWise. Desde aquí, seleccionaremos el perfil sobre el que queremos establecer los datos estructurales.

Figura 3. Datos estructurales para los perfiles destinados a muros cortina.

Algunos de estos datos son calculados por el programa, y otros deben ser introducidos por el usuario manualmente. Veamos estos datos más detenidamente.


Datos calculados por el Programa Estos datos serán calculados por PrefWise a partir del DXF que hayamos asociado previamente desde el apartado “Secciones”, así como de las dimensiones que establezcamos en el apartado “Dimensiones” (ambos apartados se encuentran dentro del grupo “Datos Constructivos” de PrefWise).

• Torsión (m4): Coeficiente de torsión.

• Longitud Máxima (m): Longitud del subsegmento más largo de la sección del perfil que se está tratando en ese momento.

Figura 4. Subsegmento mas lardo de la sección del perfil.

• Grosor Máximo (m): Espesor del subsegmento más largo de la sección del perfil que se está tratando.

• Áreas a cortante (m2): Área de los distintos elementos de la sección que está alineada con cada uno de los ejes principales.

Figura 5. Áreas a cortante.

• Área (m2): Área de la sección.


Datos introducidos por el Usuario Estos datos deberán de ser introducidos por el usuario manualmente.

• Inercia X, Y (m4): Inercia en los distintos ejes de la sección plana.

Figura 6. Inercias.

• Módulos Elásticos X, Y (m3): Coeficientes que hacen referencia a los módulos elásticos de la sección.

• Sigma Máximo y Mínimo (m): Distancias de los bordes al centroide de la sección en el plano de pandeo.

Figura 7. Distancias de los bordes de la sección al centroide.

• Radio Giro X, Y (m): Distancia desde el eje que pasa a través del centro de gravedad de la sección al punto en el cual se puede concentrar toda la masa del objeto sin variar su momento de inercia.

• Estructural: Si activamos dicho campo, las propiedades del perfil serán tenidas en cuenta a la hora de realizar el cálculo estructural del muro cortina. Las intersecciones entre barras estructurales definen los nudos de la estructura.

• Divisible por forjado: Esta propiedad indica si el perfil ha de ser dividido por una línea de forjado en la interfaz de PrefCAD.

• Nivel de forjado: Las divisiones por forjado en PrefCAD se crean especificando un nivel de forjado. Este nivel será un número entero (cuyo valor mínimo será 0). Esta división por forjado partirá todos aquellos perfiles que tengan asignado el mismo nivel de forjado que la línea de forjado definida en PrefCAD. En este campo insertaremos el valor del nivel de forjado del perfil seleccionado.


3.2. Datos Generales Dentro de los datos generales del propio perfil, debemos de resaltar el campo “Enlazable”. Este campo se encuentra en la pestaña “Perfil” del apartado “Materiales Base”, en el grupo “Materiales” de PrefWise.

Si un perfil tiene activo este campo, cuando dos o más tramos del un mismo perfil se encuentren en la misma coordenada ‘x’ o ‘y’, se unirán los tramos en uno solo.

Figura 8. Propiedad “Enlazable”.

Esta propiedad nos será muy útil para generar, por ejemplo, las tapas y contratapas de un travesaño, pues en algún caso, el usuario puede necesitar que aunque los travesaños (que generan por regla de barra las tapas y contratapas) estén divididos en sus respectivos tramos, las tapas y contratapas se generen en un solo tramo.

Figura 9. Tapa y contratapa.

Travesaño

Tapa y contratapa


4. Propiedades de las Piezas Las limitaciones en movimiento con respecto a los ejes locales de la fachada en la cual está comprendido el nudo y las reacciones que soporten en cada una de las direcciones se definen en las propiedades de las piezas.

Figura 10. Propiedades de una pieza.

Coacción: Indica los movimientos y giros del nudo impedidos.

Umbrales: Indica los esfuerzos máximos que soporta un tipo de nudo en cada uno de los movimientos impedidos. Si el valor de cualquier umbral es -1, indicará que el esfuerzo es no limitado. Los valores introducidos deben estar expresados en kN.


5. Propiedades de los Vidrios La única propiedad a tener en cuenta en el cálculo estructural para calcular el peso total del cristal es los Kg/m2.

Figura 11. Propiedades de un vidrio.


6. Propiedades de la Materia Prima Para definir las propiedades físicas de un material lo haremos a través de su materia prima.

Para definir una materia prima, primero la daremos de alta como color en el apartado “Colores” que se encuentra dentro del grupo “Materiales” en PrefWise. Aquí debemos activar en la pestaña “General” la propiedad “Es Materia Prima”.

Figura 12. Dar de alta la materia prima como color, activando la propiedad “Es Materia Prima”.

Una vez hecho esto, deberemos de especificar una serie de propiedades a nuestra materia prima. Para ello, seleccionaremos el apartado “Materia Prima”, el cual se encuentra dentro del grupo “Materiales” en PrefWise.

Pulsaremos el botón “Nuevo”. Se abrirá una pantalla, donde debemos de seleccionar la materia prima a crear a partir de los colores que tienen activa la propiedad “Es Materia Prima”.


Figura 13. Seleccionar la materia prima a crear.

Una vez seleccionada, añadiremos a esta las propiedades necesarias para definirla. Estas propiedades son:

• Elasticidad Longitudinal (Kg/m2): Coeficiente de elasticidad longitudinal.

• Elasticidad Transversal (Kg/m2): Coeficiente de elasticidad transversal.

• Límite elástico (KN/m2): Límite elástico con un 0,2% de deformación.

• Densidad (Kg/m2): Densidad del material.

• Resistencia Última (KN/m2): Coeficiente de resistencia última del material.

• Unidades de la materia prima para el precio: Indica la unidad con la que se desea medir el precio unitario de la materia prima editada. Esta admite:

o Metros Cúbicos.

o Litros.

o Galones EE.UU.

o Kilos.

o Libras.

o Galeones Imperiales.

En esta pantalla el usuario también puede estructurar según sus necesidades el árbol “Materias Primas” gracias al grupo de campos “Niveles”. Para mayor información sobre las propiedades de la materia prima consulte el documento WP2006.3.077 - Materia Prima.


Figura 14. Definimos una serie de propiedades a la Materia Prima.

Una vez hecho esto, debemos de indicar, para cada color dado de alta en la base de datos, cuál es su materia prima. Para ello, editaremos el/los color/es en el apartado “Colores”, dentro del grupo de “Materiales” de PrefWise, y seleccionaremos la materia prima en el campo “Color Aplicado a Materia Prima”.


Figura 15. Asociar a los colores la materia prima en el campo “Color aplicado a Materia Prima”.


7. Análisis Estructural en PrefCAD Para realizar un análisis estructural de un diseño en PrefCAD, accederemos al menú “Modelo”, donde seleccionaremos la opción “Divisiones por forjado”. También podemos acceder a este apartado directamente, pulsando las teclas “Ctrl. + F”.

Figura 16. Opción “Divisiones por Forjado” dentro del menú “Modelo”, en PrefCAD.

Desde aquí podremos editar las propiedades de los nudos, insertar y editar divisiones por forjado y comprobar los resultados una vez realizado el análisis estructural. Veamos el procedimiento para realizar estas tareas.

7.1. Editar las propiedades de los Nudos Para editar las propiedades de un nudo, pulsar el botón derecho del ratón sobre el nudo. Aparecerá una galería con las diferentes piezas que se pueden seleccionar para asignar las limitaciones de movimiento y/o giro en ese nudo. Las piezas que aparecen son las estructurales de cada orden diferente de las inducidas en las reglas de mecanizado. Al situar el ratón encima de cada una de las piezas, aparecerá un tooltip con la información de la pieza: limitaciones de movimiento y/o giro, orden de la regla de mecanizado y una lista con las piezas generadas al seleccionar dicho orden.


Figura 17. Editar las propiedades de un nudo.

7.2. Insertar / Editar divisiones por Forjado Para insertar una división por forjado, pulsar con el botón izquierdo del ratón sobre la regla de la parte inferior de la pantalla y arrastrar. Soltar el botón del ratón sobre el lugar donde se quiera crear la división por forjado.


Figura 18. Insertar una división por forjado.

Se puede establecer la posición y el nivel de una división por forjado. Para ello, nos situaremos sobre la línea de división, y pulsando el botón derecho del ratón, seleccionaremos la opción “Establecer” del menú contextual. Aparecerá una ventana para editar la posición y el nivel de forjado de la línea. Al seleccionar el nivel de forjado, aparecerá una lista con los perfiles que serán divididos por dicha línea dependiendo del nivel de forjado de cada perfil. Este nivel deberá ser un número entero (cuyo valor mínimo será 0). Esta división por forjado partirá todos aquellos perfiles que tengan asignado el mismo nivel de forjado.


Figura 19. Establecer una división por forjado.

Se pueden editar todas las líneas de forjado al mismo tiempo pulsando el botón derecho del ratón sobre cualquier punto de la pantalla en el que no exista una línea y seleccionando la opción “Editar líneas”.

Figura 20. Editar todas las divisiones por forjado del modelo actual.

También se puede establecer una división por forjado “Virtual” pulsando con el botón derecho del ratón sobre la división que se quiera hacer virtual y seleccionar del menú que aparece la opción “Virtual”.


Establecer una división por forjado Virtual provoca que se genere la regla de mecanizado para generar las piezas correspondientes, pero no divide el perfil, como hace la división por forjado en el caso de no activar “Virtual”.

7.3. Análisis Estructural Para realizar el propio análisis estructural, seleccionar en PrefCAD la opción de menú “Modelo”, y dentro de este, la opción “Cálculo Estructural”. También podemos acceder a este apartado directamente, pulsando las teclas “Ctrl. + S”.

Figura 21. Cálculo estructural.

Aparecerá una ventana de diálogo solicitando los datos de entrada requeridos para el cálculo según el Eurocódigo. En concreto, estos datos son:

• Altura de coronación del edificio (m).

• Valor básico de la velocidad de referencia del viento (m/s).

• Categoría del terreno en la que se va a construir el edificio, entre las que podemos elegir:

o Mar abierto, lagos del al menos 5Km de fetch en la dirección del viento, terreno llano sin obstáculos.

o Granjas con setos, pequeñas estructuras agrarias ocasionales, casas o árboles.

o Áreas suburbanas o industriales, bosques permanentes.

o Áreas suburbanas con al menos el 15% de su superficie cubierta con edificios de altura media mayor de 15 metros.


Figura 22. Datos necesarios para realizar el Cálculo Estructural.

Al pulsar el botón “Aceptar”, el programa realizará los cálculos oportunos en función de la configuración que hayamos establecido.

Cuando el programa haya terminado de realizar el cálculo estructural, nos mostrará un mensaje por pantalla.

Figura 23. Mensaje informativo de que el análisis de cálculo estructural se ha realizado correctamente.

En caso de que PrefCAD no pueda realizar el cálculo estructural de modelo por falta de parámetros, el programa mostrará un mensaje informativo según sea el dato incompleto. A continuación mostramos algunos de estos mensajes.

Figura 24. El cálculo estructural no se ha realizado porque todos los nudos son libres.


Figura 25. El cálculo estructural puede que no sea correcto porque no se ha definido materia prima.

Figura 26. No se han podido calcular los desplazamientos en los nudos.

Si algún nudo o tramo no cumple con el Eurocódigo, aparecerá en rojo y situándonos encima de él con el ratón, aparecerá un tooltip con los problemas encontrados al realizar el análisis.

Figura 27. Ejemplo de Tooltip con los problemas encontrados al realizar el análisis.

Figura 28. Problemas de un tramo al realizar el Cálculo Estructural.


Figura 29. Problemas de un nudo al realizar el Cálculo Estructural.


8. Ejemplo Práctico Antes de empezar a diseñar un muro cortina en PrefCAD, debemos de configurar todos los datos que hemos visto en apartados anteriores para los perfiles (punto 3), las piezas (punto 2 y 4), los vidrios o superficies (punto 5) y la materia prima (punto 6) de aquellos materiales con los que vayamos a modelar nuestro muro.

Una vez hecho todo esto, abriremos un nuevo documento en PrefCAD, y diseñaremos la estructura del muro. Para este ejemplo, hemos elegido un modelo sencillo compuesto por 2 montantes laterales, un montante central, y 4 niveles de travesaños, 2 de ellos centrales, y los otros 2, laterales.

Figura 30. Diseñamos el muro cortina.

Una vez hecho esto, accederemos al menú “Modelo”, donde seleccionaremos la opción “Divisiones por forjado” (Punto 7). Configuraremos las propiedades de los nudos existentes (punto 7.1) e insertaremos en caso necesario las divisiones por forjado que el usuario estime oportunas (punto 7.2).


Figura 31. Configurar los nudos existentes e insertar divisiones por forjado.

Una vez hecho esto, el modelo ya estará configurado para realizar el análisis estructural (punto 7.3). Seleccionaremos del menú superior horizontal en PrefCAD, la opción “Modelo”, y dentro de este, la opción “Cálculo Estructural”.

En la pantalla “Calculo Estructural”, insertaremos los datos de entrada requeridos para el cálculo según el Eurocódigo. Una vez insertados, pulsaremos el botón “Aceptar”.

Cuando PrefCAD termine de realizar el análisis estructural de nuestro diseño, presentará por pantalla un mensaje informativo donde avisará al usuario de si el cálculo estructural se ha realizado satisfactoriamente, o necesita de algún dato para llevarlo a cabo.


Figura 32. Mensaje informativo del resultado de ejecución del análisis.

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