Manual SAP Martín Castillo

BENEMÉRITA UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE PUEBLA FACULTAD DE INGENIERÍA

CURSO BÁSICO DE SAP 2000 APLICADO APLICADO AL ANÁLISIS ESTRUCTURAL ESTRUCTURAL

BENEM RITA UNIVERSIDAD AUT NOMA DE PUEBLA FACULTAD FACULTAD DE INGENIERÍA COLEGIO DE INGENIERÍA CIVIL

CURSO BÁSICO SAP 2000 APLICADO AL ANÁLISIS ESTRUCTURAL

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CURSO BÁSICO DE SAP 2000 APLICADO APLICADO AL ANÁLISIS ESTRUCTURAL ESTRUCTURAL

ÍNDICE INTRODUCCIÓN: ING. RAFAEL RAMÍREZ ÁLVAREZ FUNDAMENTOS DEL ANÁLISIS ESTRUCTURAL 1. Hipótesis 2. Tipos de estructuras 3. Grados de libertad 4. Tipos de uniones 5. Estabilidad geométrica 6. Matriz de rigidez 7. Análisis matricial estructural elástico-lineal elástico-linea l 8. Respuesta estructural

PROGRAMA: ING. MARTÍN CASTILLO FLORES UNIDAD 1

INTERFAZ GRÁFICA DE USUARIO

1.1

Pantalla principal

1.2

Descripción de los menús

1.3

Unidades de trabajo

1.4

Información del proyecto

1.5

Modelos predeterminados

1.6

Sistema de coordenadas

1.7

Vista bidimensional

1.8

Vista tridimensional

UNIDAD 2

EL MODELO ESTRUCTURAL

2.1

Objetos y elementos

2.2

Elemento nudo 2


CURSO BÁSICO DE SAP 2000 APLICADO AL ANÁLISIS ESTRUCTURAL

2.3

Elemento línea

2.4

Elemento área

2.5

Elemento sólido

2.6

Grupos

2.7

Nudos

2.8

Grados de libertad (gdl)

2.9

Restricción de los grados de libertad

2.10

Soportes infinitamente rígidos o apoyos

2.11

Soportes semi rígidos o “resortes”

2.12

Liberación en elementos barra

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INTERFAZ GRÁFICA DE USUARIO PANTALLA PRINCIPAL SAP2000 trabaja por medio de un modelo definido en su interface gráfica de usuario. El modelo consiste principalmente en los siguientes componentes: 

Unidades



Objetos y elementos



Grupos



Sistema de coordenadas



Mallas



Patrones de carga



Casos de carga



Combinaciones de carga



Salida de datos en pantalla

El modelo se ingresa por medio de menús e iconos que facilitan el desarrollo del sistema estructural. Con esto se genera una sensación de un modelo virtual un tanto “físico” en vez de uno matemático.

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DESCRIPCIÓN DE LOS MENÚS File Muestra las opciones más comunes de archivo, así como opciones de importar y exportar de SAP 2000 a otro software.

Edit Se presentan las herramientas básicas para el modelo geométrico del sistema como: copiar, mover, recortar, unir, dividir, etc.

View Proporciona las opciones de visualización de la pantalla para facilitar la modelación del sistema estructural. Por ejemplo vistas en 2D, vistas en 3D, zoom, entre otras.

Define En éste menú se definen propiedades geométricas y mecánicas del sistema, así como funciones de tiempo y casos de cargas.

Draw Aquí se presentan los objetos y elementos principales que conforman el modelo estructural, como: elemento nudo, elemento barra, y elemento área.

Select Muestra opciones de selección que facilitan tanto el desarrollo del modelo como la asignación de propiedades a elementos específicos. Se pueden seleccionar elementos por categoría desde: material, sección, etiqueta, grupo, tipo de apoyo, entre otros.

Assign Una vez definidas las propiedades de los elementos éste menú asigna dichas propiedades a los elementos seleccionados.

Analyze Se utiliza este menú una vez concluido el modelo estructural y se está listo para ejecutar SAP 2000, se presentan en él opciones para el tipo de análisis según los grados de libertad, así como distintos casos a analizar.

Display Posteriormente a la ejecución del programa se utiliza este menú para mostrar los resultados deseados como fuerzas, esfuerzos, deformaciones, y tablas. 5



Design SAP 2000 tiene la capacidad de diseñar en base a reglamentos de construcción internacionales estructuras principalmente de concreto y acero. En éste menú se presentan distintas opciones para el proceso del diseño.

Options Se presentan distintas opciones principalmente de configuración y visualización como: colores en pantalla, tamaño de objetos, tipo de gráficos, tamaño de fuentes, y unidades.

Tools Muestra herramientas adicionales tipo plug-in que funcionan como complementos o extensiones para optimizar casos específicos de análisis.

Help Presenta documentación metodología sobre el software y un amplio desglose por tema donde se detalla cada elemento y función.

UNIDADES DE TRABAJO SAP2000 trabaja con cuatro unidades básicas: fuerza, longitud, temperatura, y tiempo. El programa provee distintas combinaciones compatibles entre las unidades anteriores. Cuando se inicia un modelo debe seleccionarse el sistema de unidades con el que se desea trabajar ya que las unidades seleccionadas se vuelven las “unidades base” del mode lo. Aunque posteriormente a este paso pueden cambiarse las unidades tanto para ingresar como para visualizar datos y resultados, estos valores serán convertidos a partir del sistema base seleccionado inicialmente.

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La selección de unidades se efectúa en la parte inferior derecha de la pantalla. En las combinaciones de unidades anteriores generalmente el tiempo se mide en segundos.

INFORMACIÓN DEL PROYECTO Una de las opciones principales al iniciar el modelo estructural es ingresar la información sobre el proyecto. Se recomienda brindar la información en proyectos de gran magnitud para tener un control en la impresión de las corridas. Se puede encontrar la siguiente tabla al dar clic en el botón New Model en la sección Proyect Information.

MODELOS PREDETERMINADOS SAP 2000 presenta distintas plantillas para modelos comunes como vigas continuas, marcos en 2D y 3D, armaduras en 2D y 3D, muros, losas, entre otros. Se recomienda usar esta opción para casos donde la geometría del sistema estructural es simple. También se presenta la opción Blank y Grid Only donde el modelo se inicia en blanco o con la ayuda de una malla que servirá de apoyo para la geometría del modelo.

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SISTEMA DE COORDENADAS En cada modelo se presentan distintos sistemas de coordenadas, interpretarlos de manera correcta es crucial para definir apropiadamente el modelo e interpretar correctamente los resultados. Los temas básicos para los sistemas de coordenadas son los siguientes:

Visión General Los sistemas de coordenadas se utilizan para obtener la localización y posición de los elementos, cargas, desplazamientos, fuerzas internas, y esfuerzos. Todos los sistemas de referencia en SAP 2000 tienen por default el eje Z como vertical, dónde su valor positivo es hacia arriba.

Sistema de Coordenadas Global El sistema de coordenadas global es tridimensional y ortogonal. Los tres ejes son denominados X, Y, y Z, y todos obedecen la regla de la mano derecha.

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Sistema de Coordenadas Local Cada elemento del modelo estructural tiene su propio sistema de coordenadas denominado sistema de coordenadas local. Este sistema tiene las mismas características que el sistema de coordenadas global y se representa por los ejes 1, 2, 3, donde representan de manera similar a los ejes X, Y, y Z globales, aunque dependiendo de la posición y rotación del elemento estos podrían no coincidir. El eje local 1 se representa por una flecha color rojo; el 2 por una flecha color verde; y el 3 por una color azul.

VISTA BIDIMENSIONAL Para modelos estructurales bidimensionales es preferible trabajar en un plano (XZ, YZ, XY), lo que facilita el desarrollo del modelo. A continuación se presenta una viga simplemente apoyada modelada en el plano XZ. Es importante recordar que el eje Z siempre es el vertical, es decir, donde actúa la fuerza de gravedad.

VISTA TRIDIMENSIONAL En casos donde se requiera un análisis tridimensional el modelo se puede generar desde un espacio 3D. También es posible generarlo a partir de espacios bidimensionales lo que en algunos casos facilita el su creación. 9



Modelo 3D

Modelo 2D (Plano XZ)

Modelo 2D (Plano YZ)

Modelo 2D (Plano XY)

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EL MODELO ESTRUCTURAL OBJETOS Y ELEMENTOS Un sistema estructural consiste de elementos físicos, éstos pueden representarse por distintos objetos y elementos virtuales en SAP 2000. Usando la interface gráfica de usuario se puede dibujar la geometría de elementos y después asignárseles propiedades geométricas y mecánicas. El programa por motivos de análisis convierte el sistema modelado en uno o más elementos, los cuales son: elemento nudo, elemento línea, elemento área, y elemento sólido.

ELEMENTO NUDO Es un elemento creado automáticamente en las esquinas o finales de todos los objetos y tiene un papel fundamental en el análisis de la estructura, puede asignársele cualquier comportamiento cinemático y estático. El nudo también es un punto de conexión y localización entre los elementos del modelo donde los desplazamientos serán conocidos o determinados por el usuario. Los desplazamientos pueden ser lineales y angulares y se les denomina grados de libertad.

ELEMENTO LÍNEA Este elemento se divide en tres tipos: 





Elemento Barra: Tiene rigidez y resistencia en sus tres ejes y se utiliza para modelar vigas, columnas, y armaduras. Elemento Cable: Se utiliza para modelar elementos únicamente resistentes a la tensión y al peso propio. Elemento Tendón: Es usado para modelar elementos de presfuerzo dentro de otros elementos.

ELEMENTO ÁREA Es un elemento tipo sólido y posee dos dimensiones grandes y una pequeña la cual es denominada su espesor. Sirve para modelar 11



muros, losas, y otros elementos delgados como placas. El análisis estructural de éste elemento está basado en el Método del Elemento Finito (MEF).

ELEMENTO SOLIDO Al igual que el anterior su análisis está basado en el MEF, y sirve para modelar elementos volumétricos, por ejemplo: una zapata, la conexión entre una viga y una columna, una dovela para un puente, etc.

En general la representación virtual del modelo depende de los elementos físicos del proyecto como su geometría, secciones, materiales, etc., modelar con medidas reales ayuda a la visualización general y al proceso de análisis y diseño.

GRUPOS Un grupo es una colección de objetos de los cuales el usuario define un nombre único, se pueden incluir elementos de cualquier tipo en el grupo así como grupos dentro de otro grupo. Esta opción tiene la finalidad de separar distintos objetos particulares del modelo para facilitar su selección, asignación, modificación, análisis, y diseño.

GRADOS DE LIBERTAD (GDL) Se define como grado de libertad (gdl) al número de movimientos posibles e independientes que tiene un sistema (conjunto de cuerpos) en un espacio correspondiente, asimismo un gdl es el número de coordenadas necesarias para conocer la localización y posición de un cuerpo o sistema en su respectivo espacio. Si el movimiento de un cuerpo es función de otro en términos de sus coordenadas, se dice que el movimiento es dependiente, situación contraria será un movimiento independiente. Grados de libertad en un espacio bidimensional: en un espacio 2D se tienen tres grados de libertad, de los cuales dos son lineales y uno es angular.

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Grados de libertad en un espacio tridimensional: en un espacio 3D se tienen seis grados de libertad, de los cuales tres son lineales, y tres son angulares.

A continuación se muestra una representación de los grados de libertad de un espacio tridimensional en espacios bidimensionales.

Un nudo puede presentar seis desplazamientos, tres lineales y tres angulares, estos desplazamientos son denominados U1, U2, y U3, y los angulares son denominados R1, R2, y R3.

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RESTRICCIÓN DE LOS GRADOS DE LIBERTAD Los grados de libertad pueden afectarse principalmente según dos tipos de restrictores, éstos son: soportes infinitamente rígidos y soportes semi rígidos. Los restrictores son elementos que anulan los movimientos de los grados de libertad, tanto lineal como angularmente.

SOPORTES INFINITAMENTE RÍGIDOS O APOYOS Los soportes infinitamente rígidos ó apoyos sirven para restringir o eliminar ciertos grados de libertad del sistema ante cualquier acción de carga sobre la estructura. Como característica cinemática se eliminará uno o varios grados de libertad, y como característica estática se generará una o varias reacciones según el grado de libertad anulado. Para tener acceso a esta opción se debe seleccionar un nudo, y posteriormente ir al menú Assign →Joint→Restraint…

Se abrirá la ventana anterior, donde se presentan los 6 grados de libertad que tiene cada nudo. Al seleccionar un grado de libertad éste se anulará totalmente.

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En la parte inferior de la ventana se muestran opciones rápidas para restringir ciertos grados de libertad. Estas opciones son las siguientes:

Empotramiento: Restringe los seis grados de libertad existentes generando angulares.

seis

reacciones;

U1 = 0

R1 = 0

U2 = 0

R2 = 0

U3 = 0

R3 = 0

tres

lineales

y

tres

Articulación: Restringe todos los grados de libertad lineales generando tres reacciones. Permite los tres grados de libertad angulares restantes. U1 = 0

R1 ≠ 0

U2 = 0

R2 ≠ 0

U3 = 0

R3 ≠ 0

Unión Simple o Patín: Restringe un grado de libertad lineal perpendicular a la unión generando en dicha dirección una reacción. Permite dos grados de libertad lineales paralelos a la unión, además de tres grados de libertad angulares. U1 ≠ 0

R1 ≠ 0

U2 ≠ 0

R2 ≠ 0

U3 = 0

R3 ≠ 0

Sin Restricción: Esta opción libera los seis grados de libertad existentes. U1 ≠ 0

R1 ≠ 0

U2 ≠ 0

R2 ≠ 0

U3 ≠ 0

R3 ≠ 0

Los tipos de soportes ó apoyos anteriores eliminan totalmente los grados de libertad, esto los hace poseer una rigidez infinita. 15



 

 



 

Qué sucede si   

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



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 



SOPORTES SEMI RÍGIDOS O “RESORTES” Un apoyo semi rígido permite los seis grados de libertad existentes en un nudo, aunque los desplazamientos que se generan debidos a acciones externas son menores al de un nudo libre. Esto debido a que se debe especificar una magnitud y dirección de la rigidez en el del grado de libertad que se desea “restringir”. La rigidez de un apoyo semi rígido es mayor a cero y menor a infinito.

0 < kresorte < ∞ Las rigideces lineales son representadas por un “resorte” color verde y las rigideces angulares por un “resorte” color rojo. En el caso de las rigideces angulares éstas obedecen la regla de la mano derecha.

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Nudo 1: Todos los grados de libertad están anulados por medio de un empotramiento. Nudo 2: Los seis grados de libertad tienen soportes semi rígidos. Tres lineales y tres angulares. Nudo 3: Los tres grados de libertad lineales están libres, y los tres grados de libertad angulares tienen soportes semi rígidos. Nudo 4: Los tres grados de libertad angulares están libres, y los tres grados de libertad lineales tienen soportes semi rígidos.

También se puede tener una combinación de soportes semi rígidos e infinitamente rígidos. Se debe tener claro que no existen rigideces negativas, es decir, la rigidez solo posee magnitud y dirección mas no sentido. Esto es importante debido a que de incurrir en este error se estaría ingresando un modelo físico erróneo. Para ingresar esta opción se debe seleccionar un nudo y posteriormente ir al menú Assign →Joint→Springs…

La figura siguiente muestra un marco con cuatro diferentes tipos de apoyos.

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Nudo 1: Articulación Nudo 2: Patín o Unión Simple Nudo 3: Empotramiento Nudo 4: Tres soportes lineales semi rígidos

LIBERACIÓN EN ELEMENTOS BARRA En elementos barra los seis grados de libertad de los nudos inicial y final son continuos, esto genera rigidez angular y lineal. Sin embargo es posible liberar o desconectar uno o más grados de libertad del nudo cuando se desea que el nudo no sea afectado por fuerzas o momentos. Este caso es muy común para crear articulaciones entre dos o más barras. Para utilizar esta opción se selecciona un elemento barra y se ingresa en el menú Assign → Frame →Releases/Partial Fixity…

En la sección Release se deberá seleccionar la fuerza o momento que se desea liberar totalmente en el nudo inicial o final. También es posible liberar parcialmente el efecto asignando un valor de rigidez en la sección de Frame Partial Fixity Springs. La rigidez se 18



ingresa en fuerza/longitud ó momento/radian para parcialmente desplazamiento o rotación respectivamente.

liberar

HERRAMIENTAS DE EDICIÓN El programa cuenta con opciones de edición comunes como copiar, recortar, pegar, mover, entre otras, las cuales facilitan tanto el modelado como la modificación o corrección de la geometría del sistema. Las opciones anteriores se encuentran en el menú Edit.

SISTEMAS DE COORDENADAS Y MALLAS Una malla es un sistema de líneas interceptadas que ayudan a dibujar el modelo estructural. Las mallas pueden ser cartesianas (rectangulares) ó cilíndricas y pueden estar en un espacio 2D ó 3D. Para seleccionar el tipo de malla y su geometría se ingresa en el menú Define → Coordinate System/Grids…, donde se puede crear un sistema de coordenadas y una malla nueva, o simplemente modificar el sistema “GLOBAL”.

Las mallas representan finalmente el sistema de ejes del modelo y funcionan como apoyo para modelar de una manera más sencilla y rápida.

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DEFINICIÓN DE GRUPOS Puede generarse una colección de objetos ó elementos denominada grupo con la finalidad de tener un mejor control y manejo sobre el modelo creado. Generalmente un modelo estructural maneja una cantidad elevada de elementos distintos los cuales en algunas ocasiones es necesario seleccionar para modificar, corregir, visualizar, mover, ó borrar, entre otros casos. Para tener acceso a esta opción se recurre a seleccionar los elementos que se desea incorporar al grupo y se accede al menú Assign → Assign to Groups…

Se presentará la opción de agregar un nuevo grupo o de modificar uno creado anteriormente, se recomienda seleccionar todas las casillas mostradas para hacer el grupo válido a todos los casos de análisis y diseño. Posteriormente a la creación del grupo se hará uso del menú Select → Groups…, para seleccionar uno o varios grupos creados. Se recuerda que todos los grupos creados están dentro de un grupo único llamado ALL.

OPCIONES DE SELECCIÓN En el menú Select , se encuentra el submenú Select, donde se selecciona cualquier tipo de objeto o elemento de maneras distintas. Es posible seleccionar los objetos y elementos mediante 20



varias opciones del cursor así como por medio de las propiedades como el tipo de material y el tipo de sección. También se puede seleccionar mediante los tipos de apoyos, por medio de grupos, y por medio de la etiqueta numérica creada automáticamente a cada objeto. En el menú principal Select , también se encuentra el submenú Deselect, el cual es la función inversa del submenú Select , y presenta exactamente las mismas opciones.

TIPO DE MATERIALES Los materiales tienen un papel fundamental en el análisis estructural ya que algunas de sus propiedades mecánicas forman parte de la matriz de rigidez del sistema. Definirlos adecuadamente es necesario para tener un modelo virtual aceptable que genere resultados confiables. Puede modelarse un nuevo material en SAP2000 a partir de propiedades mecánicas como la isotropía, ortotropía, y la anisotropía, también pueden ingresarse parámetros de rigidez longitudinal (E) y transversal (G), así como la razón de Poisson. Es necesario ingresar los valores de resistencia, así como su peso volumétrico entre otros. Para ingresar esta opción es necesario ir al menú Define→Materials…, donde se presentan distintas opciones como crear un nuevo material o modificar uno existente.

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SECCIONES DE LIBRERÍA SAP2000 cuenta con una amplia biblioteca de secciones comunes establecidas en el manual AISC (American Institute of Steel Construction), entre otros. Para tener acceso a las secciones debe ingresarse en el menú Define → Section Properties → Frame Sections…, donde se deberá seleccionar la opción “Import New Property…”. Lo anterior abrirá la siguiente ventana:

en ésta se presenta el tipo de sección que se desea importar, lo cual abrirá una ventana de búsqueda donde se deberá seleccionar un archivo con terminación .pro que se encuentra ubicado en la carpeta de instalación de SAP2000.

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DISEÑO DE SECCIONES En el caso de que la sección a utilizar no se encuentre en la biblioteca disponible, el usuario puede generar secciones simples al seleccionar la opción “Add New Property…” en vez de la opción “Import New Property…”, con lo cual se abrirá una ventana donde se deberá seleccionar el tipo de sección a crear. Esto generará una ventana similar a la siguiente, dependiendo de la sección que se desea generar.

En la ventana mostrada deberán ingresarse los datos geométricos, así como un nombre a la sección. Es muy importante verificar el las unidades con las que se ingresan los datos.

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Para secciones de concreto reforzado la ventana de ingreso de datos es similar a la siguiente:

y donde los únicos datos importantes para el análisis estructural son el material y la sección, aunque se recomienda ingresar en la opción “Concrete Reinforcement…” e indicar si el elemento a analizar será una viga o una columna en la sección “Design Type”.

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