TRABAJO #2

“Modelamiento de un Galpón e Importación de datos desde AutoCAD”

Realizado por: Galo Serrano C.

Fecha de entrega: 01 de Octubre del 2012

Objetivos:

Interactuar entre el SAP 2000 y el AutoCAD mediante la importación de archivos *.dxf que facilitaran el trabajo ya que el SAP 2000 no tiene opciones de dibujo avanzadas como las que nos brinda el AutoCAD.

Determinar las cargas dinámicas para el modelo mediante la aplicación del código UBC 94 y su respectiva interpretación para el CEC 2000.

Utilizar el programa para el análisis y diseño de la estructura mediante el uso del código pertinente para el diseño de estructuras de acero.

Interpretar los resultados obtenidos de manera correcta y establecer los correctivos pertinentes en el modelo.

Introducción:

SAP2000 es un programa desarrollado por la empresa CSI, Computer and Structures, Inc. En Berkeley, California, EEUU. Se presenta en varias versiones (Standard, Plus y Advanced). Desde hace mas de 30 años ha estado en continuo desarrollo, para brindarle al ingeniero una herramienta confiable, sofisticada y fácil de usar sobre la base de una poderosa e intuitiva interfaz gráfica con procedimientos de modelaje, análisis y diseño estructural a la vanguardia a nivel mundial.

Procedimiento:

La cercha que se va a modelar es una cercha a dos aguas con una pendiente del 20% y una altura total de 7m con un ancho de 20m, la cercha esta compuesta por 5 pórticos los cuales tienen una separación de 6m cada uno.

Se grafica el modelo de la cercha que va a soportar las cargas en el AutoCAD, este procedimiento se lo puede realizar de manera directa en el SAP 2000, pero se recomienda realizarlo en el AutoCAD ya que este presenta más herramientas de dibujo que pueden facilitar el trabajo de manera notable.

Guardar el archivo de AutoCAD con extensión *DXF de AutoCAD 2004/LT2004(*.dxf), En el dibujo del AutoCAD asignar un nombre especifico al layer de los elementos, en este caso con el layer FRAMES, para luego importarlo al SAP 2000, hay que tomar en

cuenta que el gráfico del AutoCAD se encuentre en las coordenadas 0,0,0 para que el momento de exportarlo al Sap2000 se ubique en el sitio correcto de las grillas definidas en el Sap2000.

Definimos las grillas en el Sap2000 de acuerdo a nuestros requerimientos.

Para exportar desde el AutoCAD al Sap2000 hacemos lo siguiente:

“Click” en File – Import – AutoCAD .dxf File – Abrimos el archivo de AutoCAD donde se creó la cercha.

Escogemos Y como dirección hacia arriba ya que de esta misma forma la toma el AutoCAD.

Importamos todo los elementos requeridos los cuales les asignamos anteriormente con el layer “FRAMES”

Definimos las secciones que se requieran para luego asignarlas al modelo, escoger acero A36 en el tipo de material, no olvidarse de designar a las secciones con nombres representativos para evitar confusiones.

“Click” en Define – Section Properties – Frame Sections – Add new property – Channel.

Definimos las dimensiones de la sección, la cual es un perfil C200x50x4 de acero A36.

Asignamos esta sección a todos los elementos “Frame” y procedemos a dividirlos en elementos más pequeños para el análisis de cada elemento.

“Click” en Edit – Edit Lines – Divide Frames – Break at intersections with…….

Vamos a crear una nueva sección que corresponda a los ángulos de la cercha, esta nueva sección esta conformada por 2 perfiles L50x50x4.

“Click” en Define – Section Properties – Frame Sections – Add new property – Double Angel.

Como se puede observar en la figura anterior el programa Sap2000 nos ofrece un modelamiento con una determinada posición de los ángulos, lo cual no es como se va a construir en la realidad es por esta razón que se debe hacer una análisis respecto a las inercias de los ángulos según sea la posición que va a tomar en la realidad y de esta manera definir los parámetros de los mismos.

Análisis:

Tomando en cuenta el diagrama de momentos que se da en una cercha, se sabe que en los puntos esquineros de cabeza de columna se producen los mayores momentos, debido a esto se procede a modelar solo para este sitio un nuevo perfil de mayor resistencia. El perfil nuevo esta formado por 2C200x50x4, el cual se puede modelar como un perfil “I”

“Click” en Define – Section Properties – Frame Sections – Add new property – I/Wide Flange.

Asignamos las secciones ya establecidas a los elementos correspondientes.

“Click” en Assign – Frame – Frame Sections – Escogemos la sección que corresponda a cada elemento.

Todos los elementos de la cercha en el plano XZ ya han sido definidos, ahora vamos a proceder a definir las correas de la estructura las cuales serán un perfil G150x3.

“Click” en Define – Section Properties – Frame Sections – Add new property – Escogemos los perfiles conformados en frío (Cold Formed) – C Section.

Definida la sección procedemos a colocarla en el en la estructura, para lograr esto vamos a usar una herramienta llamada “Extrude”.

“Click” en Edit – Extrude – Extrude points to frame/Cables…

Extruimos 6metros en la dirección tomando como material el perfil G150x3

Seleccionamos la vista en extrucción para verificar que los elementos del modelo estén en la dirección adecuada, de ser necesario se debe girar los elementos a su posición requerida.

Tal como se puede observar en la figura los perfiles del cordón superior al igual que las correas no se encuentran modeladas correctamente, por esta razón se debe girar estos elementos hasta que se encuentren en la posición real.

Seleccionamos los elementos que se van a girar.

“Click” en Assign – Frame – Local Axes

Asignamos un ángulo de giro para las secciones seleccionadas.

Hay que tomar en cuenta que el umbral de la cercha se tiene dos correas por lo que hay que colocarlas en nuestro modelo. Esto lo realizamos replicando cualquiera de los elementos correa ya creados con las coordenadas adecuadas.

Tal como se aprecia en la figura las secciones ya se encuentran en la dirección correcta.

Replicamos los elementos creados.

“Click” en Edit – Replicate – Mirror.

Replicamos paralelo al eje y a una dirección de 10m en “X”

Para agregarle mayor rigidez a la estructura vamos a colocarle tensores los cuales son varillas de 20mm de diámetro.

“Click” en Define – Sections Properties – Frame Sections – Add New property – Steel – Pipe

Determinamos las características necesarias del material, tomando en cuenta que es una varilla sólida, es decir sin huecos en sus interior.

Dibujamos estos elementos con la opción “Draw Frame”.

Para alargar este elemento hasta otro deseado, se hace lo siguiente

Seleccionamos los puntos con el elemto “Frame” que va ser extendido y también seleccionamos el elemento al cual va ser extendido dicho elemento.

“Click” en Edit – Edit Lines – Trim/Extend Frames.

De esta manera colocamos todos los tensores necesarios en nuestro modelo.

Determinar las cargas:

Seleccionamos todas las correas que van a ser cargadas, para seleccionarlas de una manera rápida podemos hacer “Click” en Select - Properties – Frame Sections – Escogemos el elemento deseado.

Las cargas que se va a aplicar a la estructura son:

Carga viva 100kg/m2

Carga muerta 25kg/m2.

Estas cargan se van a asignar a cada correa de la estructura con un tipo de carga distribuida.

Estas cargas se tienen que multiplicar por 0.83m el momento de distribuirlas a lo largo del elemento ya que ese el ancho colaborante para cada correa de la cercha.

“Click” en Assign – Frame Loads – Distributed.

Demos tener en cuenta que en el umbral de la cercha existen dos correas juntas por lo cual se debe asignar solo la mitad de la carga de las otras correas para que ambas juntas tenga la misma carga de las demás.

Asignamos cargas de las correas:

“Click” en Define – Mass Source.

Asignamos los apoyos a la estructura.

“Click” en Assign – Joint – Joint Restraints.

Replicamos el pórtico ya modelado 6m en la dirección “Y” y hacemos que se incremente 5veces para de esta forma replicar en todo la cercha el pórtico deseado.

“Click” en Edit – Replicate – Linear.

De igual forma replicamos las diagonales para que se repitan en toda la estructura, esto lo hacemos con la opción “Mirror” en Replicar.

También se debe replicar las correas de la cercha. En este proceso se debe tener mucho cuidado al replicarlo ya que si lo hacemos mediante la opción de “Mirror” las correas replicadas van a cambiar de dirección lo cual no es conveniente, por esta razón las correas deben replicarse de forma lineal.

Colocación de Mampostería:

Propiedades del material que conforman la mampostería:

E = 400 f*m

f*m = 20kg/cm2

E= 8000kg/cm2

“Click” en Define – Materials – Add New Material.

Asignamos las propiedades correspondientes a la mampostería.

Definido el material podemos ya definir la sección Area que se va a modelar en el programa Sap2000

“Click” en Define – Section Properties – Area Sections.

Con el botón de selección rápida de área ubicado en la parte izquierda de la pantalla, seleccionamos los lugares donde se va a colocar la mampostería.

Colocada la mampostería en la parte lateral de la cercha se procede a dividirla en áreas más pequeñas, ya que mientras mas pequeños sean los elementos en los que se divide el elemento original, mayor será la precisión del programa.

Los cuadrados es la mejor forma de dividir en partes un elemento.

Replicamos el área creada en toda la cara lateral de la cercha usando la herramienta “Replicate” y lo hacemos de forma lineal.

Replicamos el área de toda la cara lateral de la cercha hacia la otra cara lateral, esto lo hacemos con la herramienta “Replicate” y lo hacemos con la opción Mirror.

Para la parte posterior de la cercha hacemos exactamente lo mismo.

La cercha en la parte frontal va tener una puerta de ingreso de 5m de ancho y 4m de alto. A continuación se describe el procedimiento para modelar dicha puerta con sus respectivos de detalles estructurales.

Creamos líneas auxiliares para colocar la puerta en el centro de la cercha.

Los elementos que se muestran de color verde es la mampostería, tal como se puede observar en la parte frontal se debe quitar un pedazo de esta mampostería con el objetivo de que se modele la puerta de ingreso.

“Click” en Edit – Edit Area - Divide Area – Divide Area Usign Cookie cut based on.....

Nuevamente dividimos el área de mampostería en secciones pequeñas, para lograr esto dibujamos líneas auxiliares con las cuales vamos a dividir el elemento.

Debido a la gran altura y ancho que tiene la mampostería, se va a proceder a colocar dinteles y unas columnetas para el ariostramiento de la mampostería.

“Click” en Define – Section Properties – Frame Sections – Definimos la columneta y la viga para el dintel.

Las secciones de la columneta tanto como de la viga son de 20x20cm.

Replicamos los elementos con “Replicate” y tomando la opción “Mirror”.

El galpón se encuentra modelado y podemos ahora correr el programa para empezar el análisis.

Al correr el programa, existe una opción llamada “Star Animation” con la cual podemos simular las deformadas según la combinación de carga que se tenga.

Al analizar las deformadas pudimos darnos cuenta que en el umbral de la cercha las correas no estaban trabajando como un solo elemento.

Esto lo podemos apreciar ya que en este sitio se ve como las correas se están deformando de forma individual cada una.

Para solucionar este problema se debe modelar estas dos correas como un solo elemento, por esta razón se crea “Constraints” a lo largo de las correas en los sitios que no se intersecan con los pórticos.

Al hacer esto el período cambia un poco pero eso no es significativo.

Se puede apreciar que gracias a los “Constraints” estos dos elementos están trabajando como uno solo.

Definimos los parámetros de las cargas.

Para la carga de sismo creamos cargas para las dos direcciones con el código UBC 94 que es el que más se ajusta a los requerimientos del CEC 2000, más adelante se detalla el procedimiento para una correcta interpretación de los valores para el UBC 94.

“Click” en Define – Load Patterns.

Para modificar las condiciones del UBC 94 realizamos el siguiente análisis:

UBC 94

Para Periodos Cortos C = 2.75

CEC 2000

Para suelo intermedio:

S = 1.2Cm = 3

T calculado SAP2000 = 0.34658

Remplazando los valores en la ecuación de corte basal del CEC 2000

C = No debe exceder del valor de Cm establecido en la tabla 3, no debe ser menor a 0,5 y puede utilizarse para cualquier estructura,S = Su valor y el de su exponente se obtienen de la tabla 3,R = Factor de reducción de respuesta estructural,ΦP, ΦE = Coeficientes de configuración estructural en planta y en elevación, respectivamente.

Igualando las ecuaciones del UCB 94 y el CEC 2000

Para t<t limite

(Tabla 4)

Remplazamos los valores obtenidos en el análisis en la ventana del UBC 94.

“Click” en Define – Load Patterns – Modify lateral load pattern.

Tx= 0.28

Ty= 0.32

Determinados estos parámetros podemos de definir las combinaciones de carga según nuestros requerimientos.

“Click” en Define – Load Combinations – Add New Combo.

Corremos el programa nuevamente y verificamos los resultados.

Al analizar los diagramas de momentos se puede observar que los tensores no están ayudando a la estructura, eso se lo puede apreciar ya que en el diagrama de momentos en la correa esta como uno solo y no varía para nada en la parte que se encuentran los tensores.

Para corregir esto vamos a dividir las correas y los tensores en su intersección.

Seleccionamos los objetos que van a ser divididos.

“Click” en Edit – Edit lines – Divide Frames.

Dividimos tomando la opción “Break at intersection with selected…..”

Al realizar este cambio y correr nuevamente el programa podemos observar que en los puntos donde se encuentran los tensores los diagramas de momentos varían, lo cual nos quiere decir que los tensores si están ayudando a la estructura.

Diseño de la estructura:

Con el diseño de los elementos se observa si las secciones antes asignadas cumplen con los requerimientos establecidos por el código.

Determinamos el código que se va a usar en el análisis.

Start Design/Check of Structure: IIniciar el Diseño y/o revisar la estructura contemplando los grupos, combinaciones, coeficientes y definiciones particulares realizadas previamente en la misma siguiendo los lineamientos normativos establecidos.

Display Design Info: Mostrar la información del Diseño de acuerdo a la Norma Aplicada.

P-M Ratio Colors & Values: Valores de Relación Demanda/Capacidad a Fuerza Axial y Flexión, con indicación de colores.P-M Colors / Shear Ratio Values: Colores de Relación Demanda/Capacidad a Fuerza Axial y Flexión. Valores de Relación Demanda/Capacidad a Corte.P-M Ratio Colors / No Values: Colores de Relación Demanda/Capacidad a Fuerza Axial yFlexión (sin valores)Cont. Plate Area / Doubler Plate Thickness: Area requerida de planchas de Continuidad yEspesor requerido de planchas (dobles) adosadas al alma.Beam/Column Capacity Ratios: Relación de capacidad dada por la sumatoria de Momentos Resistentes en Vigas / Momentos Resistentes en Columnas que concurren a un Nodo, en cada plano.P-M Colors / Beam Shear Forces: Colores de Relación Demanda/Capacidad a Fuerza Axial y Flexión. Valores de fuerzas de Corte en Vigas.P-M Colors / Brace Axial Forces: Colores de Relación Demanda/Capacidad a Fuerza Axial yFlexión. Valores de fuerzas Axiales en Arriostramientos.

Al analizar la estructura podemos observar que mucha de las secciones no cumplen con los requerimientos de diseño.

Podemos observar que la barra seleccionada es insuficiente para el diseño estructural sismo resistente.

Se debe rediseñar todas estas barras y remplazarlas por secciones más resistentes.

CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES:

Es importante que el ingeniero diseñador tenga en cuenta que el SAP 2000 es un programa de gran ayuda para el cálculo de estructuras, pero también debe ser consciente de que es la persona encargada del correcto manejo de datos e interpretación de resultados, así como también de la utilización de las hipótesis de modelación utilizadas en la estructura.

Los valores de las secciones que se ingresan en el programa son producto de un pre diseño antes realizado por esta razón es necesario que se realice el cálculo para optimizar las secciones.

También es importante realizar un estudio previo para determinar las hipótesis de carga que se van a tomar en cuenta en el modelo, así como también las propiedades de los materiales.

Es importante conocer el análisis y correctivos que se deben dar al modelo luego de los resultados obtenidos con el SAP 2000, el saber cómo dar rigidez a la estructura y de esa manera controlar los requerimientos de diseño, en este caso la colocación del tensor en la parte del techado ayudo a controlar las deformaciones excesivas, mientras que los contravientos ayudan para dar rigidez a la estructura en ese plano.

Es importante no olvidar que los “body constrain” no se replican así que se debe hacer uno para cada punto que lo necesite es imprescindible no olvidarse de este detalle pues el objetivo del body constrain es que trabajen como uno solo.

Hay que tener en cuenta que los elementos de la esquina de la cercha son los más esforzados por lo que se debe tener un estricto control en las secciones de esa sección.