guia y manual sap2000 v14
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REPUBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA
VALENCIA – EDO. CARABOBO
INTRODUCCION AL ANALISIS Y DISEÑO DE ESTRUCTURAS
EMPLEANDO EL SOFTWARE SAP2000 V14.1.0
(Guía y Manual General)
Preparado por: Ing. Víctor Román A.
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INTRODUCCION AL ANALISIS Y DISEÑO DE ESTRUCTURAS
EMPLEANDO EL SOFTWARE SAP2000 V14.1.0
Indicé General
Item Contenido Pág.
1.- Introducción al Software Structural Analysis Program “SAP2000”. 3
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2.- Herramientas y formas para elaborar la geometría y editar diversos elementos
estructurales en el SAP2000. (11 ítem básicos) 5
3.-
Definición, asignación y edición de los materiales, secciones de elementos (vigas,
columnas y losas), restricciones de juntas, tipos de carga (permanente, variable,
viento, etc.) y combinaciones de cargas. (17 ítem básicos)
22
4.- Proceso de análisis estructural e interpretación de resultados para el diseño o
verificación del sistema estructural. (7 ítem básicos) 41
5.- Ejemplos de cálculo relativos a sistemas estructurales con elementos de concreto
armado y metálicos. (2 ítem básicos) 54
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1. Introducción al Software Structural Analysis Program “SAP200”.
Dentro de los Software diseñados por la empresa Computers and Structures, Inc denominado
“C.S.I” se encuentra el Structural Analysis Program “SAP2000”, software destinado al análisis lineal y
no lineal de estructuras estáticas o dinámicas en 2D y 3D.
Presentación Inicial del SAP2000 Versión 14.1.0
El software Sap2000 actualmente es uno de los programas de mayor auge en relación al cálculo
estructural; y aquí hay que hacer una pausa para entender lo que significa “calculo estructural”,
el provee luego de ejecutar una serie de análisis matemáticos, las relaciones de fuerzas, momentos
y esfuerzos bajo las solicitaciones definidas para el modelo estructural; esto es la base del
programa modelar y determinar los esfuerzos a los cuales está siendo solicitada dicha estructura.
Como complemento el presenta módulos para el diseño y verificación de los elementos tanto en
concreto armado como en acero estructural (cabe destacar que las últimas versiones incluye el
diseño con elementos de aluminio, elementos metálicos formados en frio y pre-esforzados) sin
embargo solo provee parámetros generales, en especial en el detallado de las juntas como tal,
para esto existen programas más específicos tales como el “Etabs” y “Frame”, de la misma familia
del Sap2000 diseñados por la Computers and Structures, Inc, que permiten detallar y analizar más
profundamente los elementos y sus conexiones de una manera más rápida y amigable, por lo cual
hay que tener en claro desde el principio que requerimos y que buscamos al utilizar estos software
para entender nuestro alcance y responsabilidad.
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Como todo programa el correcto uso de él y la utilización de los resultados arrojados por dicho
software es responsabilidad de usuario, por lo tanto en un área tan delicada y la cual requiere un
conocimiento completo de estructura, resistencia de materiales y hasta de dinámica, queda en la
responsabilidad del usuario la verificación de la salida de datos que arroja el SAP2000, hay que
recordar que el software es una simple herramienta que facilita el cálculo matemático, por lo cual
desde los primeros pasos de la entrada de datos hasta llegar a los resultados es responsabilidad de
nosotros.
Hay que entender que como todo software queda de parte del usuario la continua investigación e
ir familiarizándose con él, mediante la práctica y el análisis del mismo, sin embargo en el caso del
Sap2000 se une la condición del estudio continuo de la parte estructural, las normativas regionales
y particulares que le apliquen a su diseño y la aplicación de una lógica y conocimiento estructural
que le sirva para entender y asegurarse de que la modelación que se está realizando está dentro
de los parámetros normativos y que su comportamiento estructural se ajuste a la realidad. Este
punto es tan importante para el manejo del software, que dentro de él existe toda una serie de
manuales y ejemplos proporcionados por Computers and Structures, Inc, con el fin de colaborar y
brindar el mejor apoyo. Sin embargo y como se indicó anteriormente queda de parte del usuario
la labor de estudiarlos, investigar y practicar para comprender el alcance del software.
Una de las ventajas y por la cual el SAP2000 se ha popularizado tanto en el medio de los calculista
es que es uno de los primeros que se diseñó bajo la plataforma Windows, por lo cual su interface
con el usuario es una de los más amigables y sencillas. Otro aspecto es la graficación completa
del modelo y lo explícito de los resultados, el cual facilita su entendimiento y provee una rápida
verificación.
El programa analiza el modelo estructural bajo la metodología de elementos finitos, basándose en
las siguientes consideraciones:
• La discretización geométrica de la estructura en elementos finitos y puntos nodales de
conexión.
• La selección de funciones de forma, orientación y vinculación para los elementos.
• Determinación de las matrices individuales de rigidez para los elementos.
• Ensamblar las matrices individuales en una matriz global de rigidez de todo el modelo, al
aplicar principios de minimización de energía.
• Solucionar el sistema de ecuaciones para obtener los desplazamientos en los puntos
nodales del esqueleto de elementos.
• Basado en las deflexiones, se calcular los esfuerzos y deformaciones necesarias para el
diseño.
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Entre los aspectos resaltante de las últimas versiones del SAP2000, podemos mencionar el manejo
de estructuras a bases de sólidos, el cual provee la herramienta para modelar elementos tales
como muros de concreto (estructurales y de sostenimiento), detallados de conexiones metálicas,
bloques macizos para fundación, losas gruesas, recipientes, zapatas, conjuntos pilotes-cabezales,
etc. Solo se requiere esquematizar el elemento como un grupo de elementos discretos de sólidos
con propiedades 3D y modelarlo. El otro aspecto es la integración de una gran variedad de
herramientas para el diseño y verificación de puentes, que va desde la generación de la
geometría (vigas prefabricadas, cables, plataformas, etc.), hasta los estándares de cargas móviles
y elementos pre-esforzados.
2.- Herramientas y maneras para elaborar geometrías y editar diversos elementos estructurales
en el SAP2000.
El SAP2000 como herramienta de cálculo y análisis se basa en su interface totalmente gráfica, por
lo cual uno de los primeros paso al iniciar cualquier modelo en 2D o 3D, es la elaboración de la
geometría del modelo estructural; para ello existe una gran variedad de herramientas internas
para logras este fin, aquí detallaremos cada una de las más empleada y explicaremos como
importar desde el Software Autocad cualquier geometría.
Sin embargo antes de comenzar debemos entender que todo modelo debe estar enmarado en
un “Sistema de Coordenadas Globales” el cual se emplea para describir la localización de los
puntos de conexión, dirección de cargas, fuerzas aplicadas, deformaciones y esfuerzos de cada
elemento.
El SAP2000 establece un “Sistema de Coordenada Global”. El cual usualmente consiste en un
sistema de coordenadas rectangular de tres dimensiones o ejes denominados “X”, “Y” y “Z”, los
cuales por ser rectangulares son ortogonales entre si y se rigen por la regla de la mano derecha. Así
mismo cada eje incluye valores negativos y positivos los cuales definen la totalidad del espacio 3D.
Una de las característica del “Sistema de Coordenada Global” es que por concepción el
programa considera continuamente al eje “Z” como la componente vertical del sistema de
coordenadas, por lo tanto valores de “Z” negativos indican por ejemplo fuerzas gravitatorias y
pesos propios.
Al iniciar el software SAP2000, se nos presenta la primera interface, la cual nos provee una variedad
de modelos preestablecidos y comúnmente empleados en los diseños estructurales, esta plantilla
se presenta a continuación.
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2.1.- Modelos Estructurales pre-establecidos del Software.
Una herramienta básica en el SAP2000 es el empleo de los “Güillines” o rejillas guías que nos
ayudan en la geometrización del modelo; el programa establece dos formas de crear estas rejillas
que describen el espacio 3D necesario para lograr geometrizar el modelos estructural. La primera
está basada en un arreglo rectangular definido de igual manera que el “Sistema de Coordenadas
Global” por los ejes “X”, “Y”, “Z”.
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Gridline en Sistema Rectangular Gridline en Sistema Cilíndrico
La segunda manera de crear los gridlines o rejilla es siguiendo un sistema cilíndrico, definido por
una relación de un “Radio”, un ángulo “Theta” y la componente vertical “Z”, ubicados desde la
coordenada “0,0,0” del “Sistema de Coordenada Global”. Los ángulos se miden en sentido anti-
horario y los radios desde el punto de origen “0,0,0”.
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2.2.- Asistente para generar rejillas rectangulares o cilíndricas
Plantilla para generar rejillas
rectangulares o cilíndricas de igual
longitud
Rejilla rectangular, vista en planta y 3D
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Maneras de editar o modificar la rejilla
Plantilla para editar la rejilla, se clasifica según los ejes globales “X”, “Y” y “Z”
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A continuación se presentan varias herramientas que permiten geometrizar directamente el
modelo, entre ellos tenemos cerchas 2D, 3D, pórticos rectangulares, torres, escaleras, etc.
2.3.- Modelos para generar cerchas en 2D.
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2.4.- Asistente para generar geometrías de pórticos rectangulares
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2.5.- Asistente para generar geometrías de pórticos rectangulares perimetrales
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2.6.- Asistente para generar geometrías de pórticos rectangulares con áreas
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2.7.- Asistente para generar geometrías básicas de escaleras o rampas
2.8.- Asistente para generar geometrías de sólidos
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2.9.- Asistente para generar geometrías de puentes y cables
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2.10.- Importar geometrías desde Autocad
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2.11.- Herramientas de Edición para geometrías
Copiar/Pegar
La primera herramienta de edición es Copiar “COPY”,
seleccionando previamente un nodo, elemento o área
serán copiados para ser pegados “PASTE” en otra
ubicación del grid.
Replicar/Repetir
Así mismo “REPLICATE” repite y pega automáticamente la
serie de elementos previamente seleccionado según una
especificación de separación continua a lo largo de los
ejes del “Sistema de Coordenadas Global”.
Extruir/Extender/Generar
El comando “EXTRUDE” crea elementos a partir de puntos
preseleccionados, áreas a partir de elementos o sólidos a
partir de áreas.
Mover
El comando “MOVE” traslada los nodos, elementos o
áreas a una nueva posición dentro de los gridlines,
suministrándole la diferencia entre la posición original y la
nueva.
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Dividir elementos
El comando “DIVIDE FRAMES” divide los elementos
seleccionados en un número igual, cuya longitud es igual
para todos de elementos.
Unir elementos
El Comando “JOINT FRAMES” permite unir varios elementos
preseleccionados en uno solo.
Generar elementos curvos
El comando “EDIT CURVE FRAMES” permite generar un
elemento curvo a partir de uno recto. Presentando varias
opciones, entre las más comunes definir el elemento curvo
por tres coordenadas, o por dos puntos y un radio o hasta
generar elementos de forma parabólica.
Dividir áreas o sólidos
El comando “DIVIDE AREAS/DIVIDE SOLIDS” permite dividir
las áreas o sólidos seleccionado en un número igual, cuya
longitud sea igual entre ellas, definiendo la división en dos
ejes para las áreas y en tres para los sólidos.
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Unir nodos cercanos
El comando “MERGE JOINTS” permite unir o conectar dos puntos
cercanos (definiendo uno tolerancia de cercanía) para generar
uno solo, de esta manera se puede verificar la conectividad
entre los elementos.
2.12.- Herramientas generales y de visualización
Herramientas generales
Herramientas para visualización
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Plantilla para visualización de uniones/elementos/áreas/sólidos/general
Mediante esta plantilla el usuario puede visualizar propiedades y características de los nodos, elementos, áreas o sólidos.
Entre las más usadas se indica el “LABELS” o codificación de las juntas, elementos o áreas. “RESTRAINTS” permite visualizar la
vinculación de apoyos de las juntas. “SECTIONS” visualiza la sección asignada a los elementos. “LOCAL AXES” visualiza los
ejes locales de las juntas, elementos, áreas o sólidos. “FILL OBJECTS” genera una visual llena de las áreas. “EXTRUDE VIEW”
genera una proyección en solido de la sección asignada a los elementos. Queda de parte del usuario en familiarizarse con
cada uno las configuraciones de la visualización.
Todo este grupo de herramientas brindan grandes facilidades para elaborar todo tipo de
geometría necesaria para plantear el modelo estructural, solo basta con poner un poco de
imaginación y creatividad.
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3.- Definición, asignación y edición de los materiales, secciones de elementos (vigas, columnas
y losas), restricciones de juntas, tipos de carga (muerta, variable, viento, etc.) y
combinaciones de cargas.
Una vez creado la geometría del modelo estructural, el siguiente paso es definir los materiales que
se emplearan y las secciones de los elementos (vigas, columnas, losas, elementos de cerchas,
muros, etc.); establecer los grados de libertad de los apoyos y de los mismos elementos, configurar
y asignar las cargas que actuaran sobre el modelo. Para todo esto seguimos con nuestra interfase
grafica e ir agregando cada uno de estos aspectos a nuestro modelo.
3.1.- Definición de Materiales
Opciones para Aluminio/
Formado en Frio/Concreto/Otros/
Acero de Refuerzo/Acero estructural
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Plantilla para Acero Estructural
Plantilla para Concreto Armado
3.2.- Definición de Elementos
Plantilla general para generar elementos
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Plantilla para perfiles metálicos tipo “I”
Plantilla para perfiles rectangulares
de concreto armado
Plantilla para columnas de concreto armado
Plantilla para vigas de concreto armado
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3.3.- Definición de Areas
Las áreas son superficies definidas por 3 o 4 nodos
perimetrales en un plano y con un espesor fijo o variable.
Estas se encuentran definidos y orientados según dos ejes
perpendiculares que describen la superficie (eje 1 y 2) y un
tercer eje perpendicular a los dos anteriores (eje 3).
Plantilla general para definir áreas
Plantillas detallada para definir áreas
El SAP establece tres tipos de áreas (Shell,
Plate, Membrane) las cuales presentan
comportamientos particulares.
“Menbrane” son áreas que permiten
deformaciones longitudinales en los dos
ejes de su plano (1 y 2) y la rotación
alrededor del eje perpendicular a este
plano (3). “Plate” es un área que permite
deformaciones transversales en los dos
ejes de su plano y rotación alrededor de
su eje perpendicular. “Shell” es un área
que combina a las dos anteriores, es decir
permite desplazamientos y rotaciones en
sus tres ejes.
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3.4.- Definición de Sólidos
Propiedades; opciones para Aluminio/
Formado en Frio/Concreto/Otros/
Acero de Refuerzo/Acero estructural
3.5.- Definición de casos de carga
Plantilla para definir los tipos de carga
Es de importancia establecer que el tipo de carga muerta “DEAD”
es el único que debería tener como factor de multiplicación de
peso propio el valor de “1”, el resto de las cargas deberían ser “0”
para que no consideren el peso propio de los elementos
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3.6.- Definición de Espectros de Diseño
Por medio de este comando se puede introducir la función que define el espectro de diseño
establecido en las normas para poder aplicar las solicitaciones sísmicas al modelo. Inicialmente se
debe adicionar una nueva función, definida por los valores de periodo y aceleración para el
espectro de diseño, el valor del amortiguamiento y los coeficiente Ca y Cv.
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3.7.- Definición de Combinaciones de Carga
Las combinaciones de cargas pueden ser incorporadas directamente por el usuario, adicionando
los tipos de carga previamente definidos y sus correspondientes factores de mayoración; o al
momento de establecer la norma para la cual se desea que el programa verifique o diseñe los
elementos, esta los incorpora automáticamente según dicha norma.
Plantilla establecer las combinaciones
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3.8.- Definición o trazado de elementos estructurales
Trazado de los nodos o conexiones
Trazado de los elementos
Trazado de los elementos
Trazado de diagonales
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Trazado de áreas poligonales
Trazado de áreas rectangulares
Trazado de áreas automáticas
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3.9.- Asignar restricciones a las juntas
Preseleccionando las juntas o los nodos se asigna el sistema de apoyos para el modelo, ya sea
empotramientos, simplemente apoyado, apoyo tipo rodillo o nodo simple, estos automáticamente
asignan las restricciones en los tres ejes tanto en desplazamientos como en rotaciones.
3.10.- Asignar propiedades de secciones
Preseleccionando los elementos se puede asignar cualquier tipo de sección que inicialmente se
definieron.
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3.11.- Asignar grados de libertad o relajar extremos de elementos
Preseleccionando los elementos se puede liberar las restricciones internas de movimientos en los
extremos de los elementos (movimiento longitudinal, trasversal o giro) referenciado al eje local del
frame.
3.12.- Definir y modificar ejes locales del elemento
Cada elemento posee su propio sistema de coordenada, denominados ejes locales, (1,2,3) en donde el
primero está sobre el eje longitudinal del elemento, por lo cual los ejes 2 y 3 se deben orientar según se desee
que trabaje dicho elemento. Generalmente se adopta lo siguiente, el plano 1-2 es vertical y paralelo al eje
global “Z”. Para elementos horizontales el eje 2 es paralelo al “+Z”, si el elemento es vertical es paralelo al
“+X”; por lo tanto el eje 3 siempre es horizontal y paralelo al plano “X-Y”. Otra forma de entenderlo es, el eje 1
es longitudinal, el 2 es la dimensión transversal mayor “Profundidad” y la 3 la menor transversal “Ancho”
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3.13.- Asignar cargas o desplazamientos a los nodos
3.14.- Asignar cargas a los elementos
Cargas gravitatorias
Usualmente se utiliza para asignar al elemento una carga distribuida a lo largo de su longitud, que
viene dada por fracciones del valor de la gravedad
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Cargas puntuales
Preseleccionando los frames, se puede asignar cargas o
fuerzas puntuales a lo largo del elemento, definiendo su
ubicación, magnitud y dirección.
Plantilla para asignar cargas puntuales
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Cargas distribuidas
Preseleccionando los frames, se puede asignar cargas o
fuerzas distribuidas de forma rectangular o trapezoidal
definida hasta por cuatro puntos a lo largo del elemento,
definiendo su ubicación, magnitud y dirección.
Plantilla para asignar cargas distribuidas
rectangulares
Plantilla para asignar cargas
distribuidas trapezoidales
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3.15.- Asignar propiedades a las áreas
Asignar sección
Asignar ejes locales
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3.16.- Asignar cargas a las aéreas
Carga gravitatoria
Carga uniforme distribuida sobre la losa
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Carga uniforme distribuida sobre su perímetro
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3.17.- Zona de Rigidez en nodos
De acuerdo al análisis estructural que usualmente se desarrolla, no se considera el aporte de las
zonas de rigidez definidas por los nodos debido a que solo se estudia el comportamiento mediante
los ejes de los elementos. Sin embargo el programa tiene la opción de incorporarlos al modelo, se
puede configurar el SAP para que defina automáticamente todas estas zonas de rigidez según la
geometría de cada elemento o definirlas para un nodo en particular. Todo esto estableciendo un
“Factor de Rigidez” que va desde “0” (nodo sin rigidez) a “1” (rigidez completa del nodo)
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4.- Proceso de análisis estructural e interpretación de resultados para el diseño o verificación del
sistema estructural.
Completado todo el modelo estructural y asignada el sistema de cargas que se prevé actué sobre
él, se debe configurar el análisis y estudiar los resultados para efectuar la correspondiente
verificación y ajustes en el modelo.
4.1.- Configuración e inicio del proceso de análisis
Plantilla para configurar el análisis
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Plantilla para seleccionar los casos para análisis
Reporte general de la corrida del análisis
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4.2.- Configuración para obtener la deformada del modelo
Selección de caso o combinación
de carga a mostrar la deformada
4.3.- Configuración para obtener las fuerzas y esfuerzos en los elementos
Visualizar las fuerzas en los notos restringidos (apoyos)
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Visualizar las fuerzas y esfuerzos en los elementos
Configuración de las fuerzas o esfuerzos a mostrar
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4.4.- Configuración para obtener las fuerzas y esfuerzos en áreas
Plantilla para la configuración de las fuerzas, esfuerzos y diseños a mostrar
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4.5.- Configuración para obtener los reportes o tablas del análisis
Plantilla para la configuración y selección de las tablas o reportes
Visualización de los reportes para exportarlos como documentos
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4.6.- Configuración para el diseño y verificación en concreto armado o acero estructural
bajo determinada norma pre-establecida por el SAP2000
Selección de los parámetros para el diseño de concreto armado
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4.6.1.- Proceso de diseño y verificación en concreto armado
Vista de los elementos indicando el acero
superior e inferior en tres puntos de análisis
Tocando con el botón derecho, se muestra la
siguiente plantilla que describe la información del
diseño en concreto según la norma definida
anteriormente, indicando para cada
combinación, la ubicación, el área de acero
superior e inferior y la relación de acero por corte.
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Marcando para una de las
combinaciones en
particular se genera esta
nueva hoja de cálculo ya
sea para el sumario,
detalles de flexión o
detalles del cálculo a
corte.
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4.6.2.- Proceso de verificación del modelo para estructura metálica
Selección de los parámetros para el diseño de estructura metálica
Proceso similar al
indicado para el diseño
o verificación en
concreto armado se
plantea para el diseño
con estructura
metálica, con la
diferencia que en este
caso estaríamos
analizando valores que
representan el
porcentaje de
eficiencia de cada
elemento. Es decir una
relación entre la
capacidad de soporte
del elemento definida
según una normativa
particular referenciada
a las solicitaciones
según el sistema de
carga asignado al
modelo.
Selección de las combinaciones para la verificación
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Inicio del proceso de verificación de los elementos metálicos
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Configuración para guardar automáticamente el modelo
4.7.- Exportar el modelo a formato Autocad
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Localización del archivo “SAPDXF” Asignar layer
5.- Ejemplos de cálculo relativos a sistemas estructurales con elementos de concreto armado y
metálicos.
5.1.- Ejemplo de sistema estructural con elementos de concreto armado.
Para preparar un modelo estructural con elementos de concreto armado, consideremos el
siguiente diseño; una edificación a porticada de tres niveles, donde los pórticos paralelos al eje Y,
esta a 5m, 13m y 18m desde el origen y los paralelos al eje X se ubicarán a 5m, 9m y 14m. Los
entrepisos presentan un desnivel de 4m cada uno y los elementos a considerar son:
Vigas longitudinales de 30x50cm / Vigas Transversales de 30x40cm
Columnas exteriores de 30x40cm / Columnas Internas de 30x30cm
Losa de techo maciza de 15cm / Losa de entrepiso maciza de 20cm
Las cargas según norma COVENIN-2002, Tabla 5.1 son:
Carga variable para techo, uso como azotea = 100Kg/m2
Carga variable para entrepiso, uso como locales para comercio 300Kg/m2
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Vista en planta del conjunto
Vista en isometría del conjunto
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Vista en isometría del conjunto
Vista en isometría del conjunto
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5.2.- Ejemplo de sistema estructural con elementos metálicos.
Para preparar un modelo estructural con elementos metálicos, consideremos el siguiente diseño;
una edificación para ser utilizada como galpón de almacenamiento de mercancía, con una
longitud de 32m, pórticos a dos aguas, con una luz libre de 18m, y una altura de 5m y 6,50m a la
cumbrera. Los pórticos se encuentran separados a 4m. La cubierta del techo está planteada con
lámina metálica liviana tipo Aceral o similar, cuyo peso es de 6Kg/m2, y correas cada 0,80m de
separación. Según información del cliente, se dispone de perfiles tipo IPE y HEB para todo el
diseño.
Las cargas según norma COVENIN-2002, art. 5.2.4.2 son:
- Techo metálico liviano con peso propio menor a 50Kg/m2, = 40kg/m2.
- Las correas deberán ser verificadas con una carga concentrada de 80Kg en el punto más
desfavorable, y no se considera simultáneamente a la distribuida antes mencionada.
- Se considera un viento mínimo de 50kg/m2, en la dirección transversal del pórtico.
Vista en isometría del conjunto
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Vista en isometría del conjunto
Vista en isometría del conjunto
Vista en isomería - unión columna/viga/correa
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Vista en isometría del conjunto