CRITERIOS DE MODELACIÓN DE ESTRUCTURAS DE HORMIGÓN ARMADO BMing Ingeniería Estructural
Elaborado por: Versión: Fecha:
JLC / PAR 1.0 Junio 2013
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Criterios de Modelación de Estructuras de H.A. 1. Modelación de la estructura en Etabs 1.1 Criterios Básicos del modelo:
Comenzar desde un archivo típico (archivo base) en el cual ya están definidos los parámetros más característicos (materiales, estados de carga, combinaciones, etc.). Definir los niveles sísmicos con números correlativos para pisos superiores y negativos para los subterráneos: -3, -2, -1, 1, 2, etc… La masa de la estructura está definida por las cargas 1.0·PP + 0.25·SC + 0.25·SC2. La sobrecarga SC corresponde a la carga de uso normal y SC2 corresponde a duplicar la sobrecarga para los casos donde se genere aglomeración de personas en forma parcial en una estructura (ejemplo: edificio de 10 pisos donde se destine los dos primeros niveles a locales comerciales con aglomeración de personas y el resto a oficinas y/o habitación, en ese caso se debe asignar a 2 2 los dos primeros niveles SC=500kg/m y además SC2=500kg/m , y en los pisos superiores sólo la SC normal correspondiente). Cargar todas las losas con carga vertical “AREA” igual a 1 para estimar el área total de la estructura con fines de chequeo del comportamiento global de la estructura. Es preferible NO utilizar elementos de área tipo “ Ramp”, esto debido a que generalmente no quedan bien vinculados a los muros por lo que distorsionan los resultados del análisis modal. Las cargas (PP, SC y AREA) de las rampas y escaleras se deben asignar en sus apoyos en losas, como carga tributaria por metro lineal en un elemento frame “cargas” o vigas si es que existen. Definir muros con espesor real tanto para membrana como bending . Es recomendable que todos los muros del edificio estén contenidos en algún eje de elevación. Los muros y vigas se definen de izquierda a derecha y de abajo a arriba. En caso de muros oblicuos siempre manda dirección izquierda a derecha. Considerar apoyos simples en muros para evitar esfuerzos en el eje débil. De todos modos es recomendable revisar esfuerzos en eje débil de los elementos, sobre todo para muros cortos (L<80cm). Asignar nivel basal del modelo en el sello de la fundación (permite obtener los esfuerzos reales inducidos a la fundación), comúnmente para edificios se debería considerar los apoyos 1.3 o 1.5m bajo el nivel del radier (según criterios de la oficina). Definir losas como elemento shell , pero asignando un espesor bajo (1cm) como bending para que la losa no sea capaz de tomar esfuerzos fuera de su plano. Asignar diafragmas rígidos a los pisos y zonas que correspondan. En zonas de estrangulamiento en losas, generalmente formadas en los alrededores de cajas de escala y/o de ascensores, o cualquier otro vacío importante en las losas es recomendable no considerar diafragma o hacer un modelo paralelo. En este se debe modelar una zona de unión en la losa que una los diafragmas -2-
que se considerarán separados para después extraer los esfuerzos que este elemento de enlace transmite (por ejemplo mediante “ section cut ”). (Ver Imagen 1 de anexo 1)
Modelar refuerzos de losa sísmicos como frame de R.(3e)/e (e=espesor de losa) con material HXXSP (sin peso ni masa). Rotular los extremos de las vigas si se estima que ese será su comportamiento. (por ejemplo al llegar a muros u otras vigas en forma perpendicular). Eliminar torsión de vigas (asignar un valor bajo, por ejemplo 0.01 al factor de modificación de rigidez torsional). Se debe tener especial precaución en la correcta modelación de la altura de elementos de antepecho y vigas de coronación donde se puedan generar vigas de acople o columnas cortas. Las vigas de acople, es decir, aquellas que forman marcos con muros o machones, con razón de aspecto L ≤ (4h), deben ser modeladas con elementos shell verificándolas como Spandrel . Para vigas más largas que igualmente formen marcos y que se empotren en un elemento shell que esté con un mesh fino (menor a 2 veces la altura de la viga) deben empotrarse mediante cachos rígidos (definidos como RIG en el modelo base). Estos cachos rígidos deben vincular mínimo 2 puntos del mesh del elemento muro y tener una longitud mayor que la altura de la viga (Ver Imagen 2 de anexo 1). Hacer penetraciones automáticas de conectividad en elementos frame con un factor de rigidez 0.75 salvo que se quiera asignar manualmente los Offset de algún elemento frame. En los casos de irregularidades, donde 2 elementos shell queden vinculados, el shell menor debe proyectarse dentro del shell mayor mediante el mesh de éste para asegurar una correcta vinculación de ambos (Ver Imagen 3 de anexo 1). Cuidar la razón de aspecto de los elementos modelados como shell ; muros ( Pier ) y vigas (Spandrel ). En muros largos se debe realizar un mesh con razón de aspecto (X/Y) menor que 2, además procurar que la sea separación de los apoyos (discretización de los elementos de nivel inferior) sea relativamente homogénea. En muros (machones) modelado como elemento shell con una razón de aspecto (Y/X) mayor que 3, deben subdividirse en vertical para capturar la deformación debida a la flexión. (Ver Imagen 4 de anexo 1). En vigas modeladas como shell debe considerarse que la herramienta Spandrel realiza una interpolación lineal entre los esfuerzos en su inicio y fin, por lo cual, se debe mantener una razón de aspecto dentro de lo posible aproximada a 1 (en mesh y etiquetado). Asignar el mesh automático a las losas y Auto Line Constraint a todos los elementos shell para que considere una correcta vinculación entre estos elementos. Si el edificio cuenta con empuje de terreno descompensado se deben incluir los esfuerzos en los estados de carga EMPX, EMPY. Al cargar el espectro elástico, seleccionar opción: “Convert to User Defined ”, para guardar la función en el modelo y no sólo la dirección física del archivo de texto. Se debe definir la respuesta espectral como SISMOX y SISMOY, con factor 1 (sismos elásticos). El factor de modificación de respuesta se debe ingresar en las combinaciones SXR y SYR respectivamente.
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El análisis por torsión accidental se debe realizar según lo dispuesto en la NCh433 (6.2.8). Para esto se deben asignar las excentricidades accidentales por piso al espectro (define response spectra override eccentricities). Los valores de las excentricidades se deben obtener de la planilla de análisis sísmico. Ajustar la cantidad de modos de acuerdo a la altura del edificio. Recordar que los modos deben sumar al menos el 90% de la masa del edificio. Es recomendable, antes de comenzar a diseñar , realizar un ‘relabel’ para que se re-etiqueten todos los frame en forma ordenada, además se optimiza el cálculo interno de Etabs al generarse una matriz de banda diagonal. Tener en cuenta que con este procedimiento los spandrels pierden su condición de multistory en caso que tuvieran esta condición aplicada.
1.2 Chequeo del Modelo
Revisar dimensiones entre ejes. Visualizar en modo EXTRUSION (Set Building View Options Special Effects Extrusion) para comprobar visualmente que no existan elementos mal modelados en dimensiones, especialmente. Utilizar la visualización con colores para chequea r, según: -
Objects: comprobar visualmente que no hayan muros (color rojo) que hayan quedado fuera de su plomo vertical, en cuyo caso se ven como Ramp (color celeste); comprobar que no hayan columnas (color verde) que no sean verticales, en cuyo caso se ven como elemento brace (color amarillo).
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Section: comprobar visualmente que se asignaron correctamente las secciones correspondientes (según asignación de colores tipo para secciones, ver Imagen 5 de anexo 1).
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Materials: comprobar visualmente que se aplicaron los materiales adecuados a los elementos modelados, independiente de su sección (ej: cuando hay más de un tipo de hormigón, elementos sin peso o rigidez o cuando hay elementos de acero).
Revisar ejes locales de frame, es decir, que todos los elementos frame (especialmente vigas) estén dibujados en planta de izquierda a derecha y de abajo hacia arriba. El eje local 1 (color rojo) es el axial, el cual siempre queda en la dirección en que se dibujó el elemento frame (Ver Imagen 6 de anexo 1). Para asegurarse de que no existen puntos sueltos (que no pertenezcan a ningún elemento estructural del modelo), quitar la visibilidad a todos los elementos, excepto a los puntos (point objects). Seleccionar todos los puntos y suprimir. Los puntos que no pertenezcan a algún shell o frame serán eliminados. Revisar que no haya elementos finitos tipo shell de tres nodos. En algunos casos induce errores en la planilla de diseño de muros. Revisar que el espectro sea el correcto y que esté bien ingresado al modelo. Además chequear que las excentricidades accidentales estén bien aplicadas.
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Es recomendable utilizar la herramienta “ Analyze check = 0.01m (1cm) antes de correr.
Check
model …” con una tolerance for
Es conveniente chequear globalmente si el edificio está correctamente cargado. Se sabe que los edificios chilenos de hormigón armado tienen una relación peso sísmico/área total planta que 2 varía aprox. entre 1.05 y 1.2 ton/m . Para el chequeo, obtener el área en planta aproximada de corte acumulado para la carga “AREA” (Story Shears). Dividir el peso sísmico por esta área en planta y comprobar que se encuentra dentro de rangos típicos. Además revisar el perfil biosísmico del edificio de la planilla Análisis Sísmico. Especialmente para columnas, revisar que las secciones estén definidas como tales (dentro del cuadro diálogo de definición de la sección, botón Reinforcement Design Type Column.
1.3 Iteración del modelo sísmico:
Es recomendable que en el proceso iterativo de correr el modelo muchas veces hasta que los muros cumplan con la resistencia requerida, las losas del modelo no tengan definidas mesh automáticos en forma fina, sino que a lo más estén divididas por los ejes. Esto disminuye mucho el tiempo de proceso y no afecta la precisión de los resultados en los esfuerzos de los muros. Sin embargo para los correctos resultados en las vigas el modelo debe ser ejecutado con un mesh fino (máximo 1m como máximo tamaño de losa). Revisar que no existan puntos sueltos. En caso de trabajar con secuencia constructiva, luego de cualquier cambio se deben reasignar los grupos que definen los pasos del método. Al ingresar elementos nuevos o reemplazar algunos, éstos quedan sólo considerados en el grupo “ ALL , por lo cual para el análisis es como si no estuviesen en todos los pasos de carga intermedios. ”
Una vez corrido el modelo, antes de ver los resultados se debe revisar los factores de modificación de respuesta sísmica. El proceso de iteración del modelo sísmico finaliza una vez que se cumplan las deformaciones admisibles y que los muros, losas de transferencia de corte y las vigas de acople cumplan con las dimensiones asignadas.
1.4 Notación de elementos del modelo:
Para definir la sección de los shell de los elementos de muros se debe considerar la siguiente nomenclatura HggEee, donde:
H: Significa Hormigón Armado gg: Es el grado del Hormigón en MPa E: Es para hacer la separación con el dato del espesor. ee: Espesor del Muro en centímetros. Por ejemplo: H30E20
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El nombre del muro podrá tener cualquier carácter después de los 6 primeros. Si por alguna razón el espesor tiene tres dígitos NO podrá tener otro dato después del espesor, por ejemplo: Por ejemplo: H30E120 Significa MHA de 120cm de espesor.
El nombre del Pier contendrá dos datos separados por un guión al medio, el primero será el nombre del eje y el segundo será su numeración dentro de ese eje, por ejemplo:
Pier nombre: 01-10, significa que es el elemento 10 del eje 01. Pier nombre: 10A-8B, significa que es el elemento 8B del eje 10A. En la definición de elementos tipo Pier no usar caracteres “*” ni “?”, podría dar problemas con la planilla de muros. Es recomendable definir ejes y Pier numéricos con un “0” (cero) delante para los números del 1 al 9. Esto permite orden en los archivos de salida y en memorias. En caso de tener aberturas o discontinuidades verticales se recomienda asignar como S los elementos superiores al muro continuo y/o I los elementos inferiores luego del etiquetado normal. Otra opción es asignar letras a las distintas divisiones del elemento (Ver Imagen 7 de anexo 1).
Usar la siguiente notación para la definición de vigas:
V VI VSI VOL
Viga normal Viga invertida Viga semi-invertida Indicará que algunas de las vigas anteriores está en Volado.
Por ejemplo: V20/60 Viga normal de 20cm de espesor por 60cm de alto. VI20/60 Viga invertida de 20cm de espesor por 60cm de alto. VSI20/60-50 Viga semi-invertida de 20cm de espesor con una parte normal de 60cm más una parte invertida de 50cm. V20/60.VOL Viga en volado En caso de tener vigas mediante elementos shell , se debe asignar etiquetas tipo Spandrel . Los Spandrel siempre quedan vinculados al nivel sísmico adyacente. En caso de haber una viga vinculada a dos niveles sísmicos (por ejemplo al verificar un muro como viga) se debe asignar como multistory para que no se divida automáticamente en dos elementos.
1.5 Análisis de secuencia constructiva:
Cuando se realiza secuencia constructiva el nombre de este estado de carga será PP-SQ, este estado de carga reemplaza a todas las cargas asignadas en PP, situación que debe ser tomada en cuenta al momento de definir las cargas en modelo. Al definir el método constructivo, analizar bien la asignación de los grupos para los distintos pasos ( step) del proceso. Cuidar que los hormigones superiores inexistentes en los sucesivos
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pasos no generen mecanismos y esfuerzos falsos en las vigas, en general no definir como nivel de método constructivo uno con muchos hormigones superiores.
1.6 Otros aspectos a considerar:
En discontinuidades verticales de muros entre dos pisos donde se produzca un traspaso de esfuerzos en una zona con longitud diferente a la de los dos muros se debe realizar un etiquetado especial o mediante la herramienta section cut evaluar los esfuerzos axiales y de flexión para armar la zona de empalme. Los esfuerzos de corte son traspasados mediante la colaboración de la losa. (Ver Imagen 8 de anexo 1) Es recomendable usar colores tipo para los espesores definidos de los elementos. (Ver Imagen 5 de anexo 1) En caso de utilizar la herramienta de diseño de Etabs, por ejemplo para las columnas, se debe verificar los parámetros que trae ésta por default (Ver Anex o 2).
2. Modelación de fundación en Safe 2.1 Creación del modelo
Una vez finalizado el proceso de iteración del modelo de Etabs, se debe realizar un modelo estático equivalente, del cual se exportará la base a Safe ( File Export S ave Story as Safe Export Floor Loads plus Column and Wall Distortions). El modelo estático equivalente debe realizarse con los esfuerzos estáticos y sísmicos reducidos, es decir, las cargas PP, SC y las combinaciones de carga SXR y SYR. Esto generará un modelo en Safe donde los apoyos de los muros o columnas pasarán a ser nodos con sus respectivas cargas y los muros se traspasarán como elementos tipo frame. (Ver Imagen 9 de anexo 1). Considerar muros como elementos frame sin peso con su altura correspondiente (EXXHYY: espesor y altura), en caso de Safe 12 el material, hormigón sin peso, se debe definir aparte (HXXSP). La definición de las alturas reales de los muros es para la simulación de las rigideces de los elementos. Se recomienda unificar elementos frame de muros “bajos” (altura mucho menor a la del edificio) para verificación de muros-viga (Ver Imagen 10 de anexo 1). Safe v12, libera los grados de libertad horizontales, por lo cual es necesario asignar restricciones horizontales en los muros. En versiones anteriores de Safe no existe ese problema. Se deben generar las combinaciones de carga admisibles. En caso de Safe 12 se deben traspasar las combinaciones a estados de carga no lineales. Definir las constantes de balasto del suelo (según mecánica de suelos). En primera instancia debe considerarse un modelo con la constante de balasto estática donde se dimensionen las fundaciones hasta que cumplan los levantamientos y tensiones estáticas para las combinaciones estáticas. Luego verificar la dimensión de las fundaciones para la constante de balasto y las combinaciones sísmicas.
Algunos puntos importantes a considerar: -7-
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Asignar un mesh automático a las fundaciones de 1.0 m máximo, idealmente al momento de diseñar las vigas de fundación reducir el mesh a 0.6m.
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Evitar controlar levantamientos y tensiones mediante vigas de fundación.
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En fundaciones corridas, evitar dejar volados longitudinales al muro sobre 0.5m en caso de no ser necesarios. Verificar esfuerzos de flexión inducidos en el “volado” de la fundación, ya que la armadura dispuesta (repartición fundación más barras de fondo de muro) podría no ser suficiente.
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Evitar zapatas excéntricas anchas, verificar esfuerzos de flexión inducidos en el muro.
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Considerar levantamientos menores a 2 mm en muros de gran altura, debido a que puede implicar un desplazamiento importante en su zona superior debido al giro.
2.2 Diseño de vigas de fundación
No es correcto utilizar un elemento frame como viga de fundación cuando ésta se encuentre dentro de una fundación corrida o losa de fundación modelada con elementos tipo shell que tengan una rigidez comparable o mayor a la del elemento frame, debido a que pueden tomar una parte importante de los esfuerzos, los cuales quedarán ausentes en el diseño del frame. Es recomendable utilizar la herramienta “ strip” la cual integra los esfuerzos que traspasan una sección delimitada por el área asignada a verificar.
2.3 Verificación de muros-viga
Se debe verificar los esfuerzos de los muros que trabajen como viga, ya sea debido a que acoplen muros de mayor altura o que por su razón de aspecto resistan esfuerzos de flexión o corte generado por empuje vertical del suelo (ejemplo: muros de contención).
Nota: Es recomendable configurar el computador con “.” como separador de decimal. Esto debido a que el programa de diseño de muros “DHA” reconoce el punto como separador de decimal, lo mismo ocurre con Etabs y Safe al importar y exportar modelos en e2k o f2k.
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Anexo 1: Imágenes Adjuntas
Imagen 1: Diafragmas y section cut .
Imagen 2: Empotramiento con cachos rígidos.
Imagen 3: Mesh en irregularidades.
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Imagen 4: Razón de aspecto en mesh
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Imagen 5: Colores tipo según espesores para muros y vigas
Imagen 6: Ejes locales elementos frame.
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Imagen 7: Etiquetado de Pier .
Imagen 8: Discontinuidad vertical.
Imagen 9: Exportación modelo Safe.
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Imagen 10: Exportación modelo Safe.
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Anexo 2: Diseño de columnas Etabs Al momento de utilizar Etabs para el diseño de las columnas se debe decidir si deben considerarse como pertenecientes a marcos con desplazamiento ( sway) o marcos sin desplazamientos (non sway). Como criterio general, se recomienda diseñar las columnas como tipo intermediate sway, considerando Ds igual a 1, ya que entrega la información necesaria de diseño de columnas (duplicando el corte sísmico) y es consecuente con el caso general de estructuras de muros utilizado en Chile.
Imagen 11: Cuadro de parámetros de diseño Etabs.
Parámetros destacados en la imagen: 1.- Tipo de sistema resistente. 2.- Factor de longitud no arriostrada para elementos en compresión. 3.- Factor de longitud efectiva, dependiente de las condiciones de borde. 4.- Coeficiente de momento, según curvatura de la columna. 5.- Factor de magnificación de momento para marco sin desplazamiento (arriostrado). 6.- Factor de magnificación de momento para marco con desplazamiento (no arriostrado).
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