Manual SAP2000

UNIVERSIDAD NACIONAL AUTÓNOMA DE MÉXICO FACULTAD DE INGENIERIA

DIVISION DE EDUCACIÓN CONTÍNUA Y A DISTANCIA

CURSO DE ANÁLISIS Y DISEÑO DE ESTRUCTURAS CON

Impartido por:

M.I. JOSÉ ANTONIO LÓPEZ MEZA INSTITUTO DE INGENIERÍA, UNAM

23 al 27 de Abril de 2012

MANUAL DE USUARIO

Integrated Software for Structural Analysis & Design (Software Integrado para el Análisis y Diseño Estructural)

Manual de Usuario del Programa SAP-2000 v.15 M.I. José Antonio López Meza / [email protected]

PRÓLOGO

"Structural engineering is the art of molding materials we don't wholly understand, into shapes we can't fully analyze, so as to withstand forces we can't really assess, in such a way that the community at large has no reason to suspect the extent of our ignorance." ...James E. Amrhein

En los últimos años, el uso de programas de cómputo en los procesos de análisis y diseño en ingeniería se ha extendido ampliamente. Particularmente en ingeniería estructural, los programas de análisis cubren un campo de aplicaciones que van desde las estructuras a base de marcos rígidos, muros de cortante, hasta la inclusión de disipadores de energía o de aisladores sísmicos en la base. Los pisos o coberturas laminares pueden ser modelados con elementos finitos apropiados. Asimismo, debido al desarrollo de aplicaciones con elementos finitos, con ciertos programas es posible modelar el suelo circundante a la cimentación en conjunto con las estructuras de la cimentación. En la actualidad se cuentan con programas de uso general - para diversos tipos de estructuras: edificios, puentes, losas, estructuras analizables con estados planos de esfuerzo o deformación, etc. tales como SAP en sus diferentes versiones.

SAP-2000 es quizá la plataforma más conocida y utilizada en la Ingeniería Estructural, desde la introducción de SAP, SOLIDSAP y SAP IV hace más de 30 años, seguido de la implementación en PC’s con SAP80 y SAP90. Para las más sofisticadas técnicas numéricas, SAP2000 añade una grandiosa, completa y fácil interfaz gráfica para el usuario, además de capacidades de diseño de gran alcance.

El resultado es un programa de análisis y diseño sin igual en la eficiencia y la

productividad que es utilizado por miles de empresas de ingeniería en más de un centenar de países, incluido México, donde se cuenta con un soporte técnico para el usuario autorizado, manuales y guías de video con audio en línea.

Dado lo anterior, la División de Educación Continua y a Distancia de la Facultad de Ingeniería de la UNAM consideró conveniente impartir el presente curso para la enseñanza del programa SAP-2000.

Quien imparte el presente curso consideró apropiado el desarrollo del presente manual para la enseñanza del programa.

Este manual es una introducción a SAP-2000 versión 15 de manera

sencilla y resumida para que el usuario pueda resolver ágilmente su problema en lo que respecta al

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Análisis y Diseño de Estructuras utilizando el programa SAP-2000. El manual incluye instrucciones paso a paso para guiarle a través del desarrollo de su primer modelo.

La principal intención es demostrar los fundamentos teóricos y mostrar lo fácil y rápido que puede ser creado un modelo en el programa.

JOSÉ ANTONIO LÓPEZ MEZA Septiembre del 2011

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CONTENIDO

PRÓLOGO --------------------------------------------------------------------------------------------------------1 CONTENIDO -----------------------------------------------------------------------------------------------------3 CAPÍTULO 1. INTRODUCCIÓN AL PROGRAMA SAP-2000 --------------------------------------------5 1.1 Introducción al SAP-2000 y descripción general de las opciones del programa 1.2 Elementos de un modelo en SAP-2000 1.2.1

Elemento Frame

1.3 Sistemas de Coordenadas 1.3.1

Sistema de Coordenadas Globales

1.3.2

Sistema de Coordenadas Locales

CAPÍTULO 2. INTRODUCCIÓN AL MODELADO DE ESTRUCTURAS CON SAP-2000 ----------12 2.1 Recomendaciones para el uso del programa de cómputo 2.2 Ejecución del Programa 2.3 Lista general de Menús desplegables en pantalla 2.3.1 Descripción de menús del programa SAP-2000 2.4 Capacidades adicionales del programa SAP-2000 2.4.1 Importación del modelo haciendo interfaz con otros programas de cómputo 2.4.1.1 Relación con AutoCAD 2.4.1.2 Relación con STAAD.Pro 2.4.1.3 Archivo de entrada y su interfaz con editores de texto 2.4.1.4 Interacción con Microsoft Excel

CAPÍTULO 3. MODELADO Y ANÁLISIS ESTRUCTURAL ----------------------------------------------51 3.1 Generación de la geometría global dada una estructuración previa 3.1.1 Tipo de Estructura 3.1.2 Definir Elementos Estructurales 3.1.3 Definir Apoyos 3.1.4 Definir Diafragmas Rígidos 3.1.5 Definición de los Materiales 3.1.6 Definición de las propiedades geométricas de los Elementos

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3.1.7 Definición y Asignación de las Cargas Externas 3.1.8 Definición de Combinaciones de Cargas 3.1.9 Elección del Tipo de Análisis

CAPÍTULO 4. INTERPRETACIÓN DE LOS RESULTADOS DEL ANÁLISIS ---------------------------80 4.1 Estructura Deformada 4.2 Diagramas de Elementos Mecánicos y Tablas

CAPÍTULO 5. INTRODUCCIÓN AL DISEÑO ESTRUCTURAL CON SAP-2000 ---------------------89 5.1 Diseño de Elementos de Concreto 5.2 Diseño de Elementos de Acero

CAPÍTULO 6. DISCUSIÓN FINAL ---------------------------------------------------------------------------97

CAPÍTULO 7. REFERENCIAS --------------------------------------------------------------------------------98

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INTRODUCCIÓN AL PROGRAMA SAP-2000

CAPÍTULO I

1.1

INTRODUCCIÓN AL PROGRAMA SAP-2000 Y DESCRIPCIÓN GENERAL DE LAS OPCIONES DEL PROGRAMA

Los programas de análisis estructural son una herramienta importante hoy día, ya que se pueden modelar estructuras completas o elementos medulares para el buen funcionamiento de dichas estructuras; los programas de análisis se deben tomar como una ayuda para la rapidez de la obtención de los elementos mecánicos para el diseño de las estructuras, aunque el usuario está obligado a manejar dichos elementos con el criterio de optimizar el diseño y consciente de que los resultados son aproximadamente los esperados.

Dado lo anterior, el programa SAP-2000 desarrollado por la empresa CSI, Computer and Structures, Inc. en Berkeley, California, EEUU se presenta en varias versiones (Basic, Plus, Advanced y Ultimate).

SAP-2000 Basic - Ofrece análisis estático y análisis dinámico modal espectral para elementos y placas. También diseña elementos de acero y concreto, y está limitado a 1,500 nodos.

SAP-2000 Plus - Ofrece las mismas características que la versión Basic, y además análisis dinámico historial y análisis de elementos planos, sólidos y tipo Asolids. No hay límites en el número de nodos.

SAP-2000 Advanced - Expande las opciones del Plus con análisis dinámico historial de tiempo no lineal (amortiguadores o disipadores, aisladores de base) y ofrece además análisis Pushover 3-D estático no lineal.

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SAP-2000 Ultimate – Además de las opciones del Advanced, incluye algunos detalles en cuanto a comportamiento local de elementos estructurales como el deslizamiento, la contracción, además de mayores posibilidades de edición de elementos placa y barra. Es muy similar a la versión Advanced

Las versiones anteriores de SAP2000 incluían algunos módulos como el Bridge Modeler, ahora convertido en un programa independiente de nombre CSI Bridge 15, en el cual se puede modelar cualquier estructural al igual que en SAP2000 y así mismo Puentes.

Todas las opciones anteriores han sido desarrolladas a lo largo de más de 30 años para brindarle al usuario 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.

En relación a la creación de modelos SAP-2000 cuenta con una serie de plantillas predeterminadas que permiten generar la geometría de los mismos de forma rápida y eficiente. Por otra parte, maneja un sistema espacial de líneas de referencia (Grid Lines) asociadas a un determinado sistema de coordenadas (cartesiano o cilíndrico), que sirven de guía para establecer cada uno de los elementos que conforman el modelo.

SAP-2000 es capaz de manejar los más grandes y complejos modelos impulsados por un motor de análisis incomparable e instrumentos de diseño para ingenieros que trabajan en el área de transporte, industrial, trabajos públicos, deportes, y otras instalaciones. En términos de uso permite realizar diversos Análisis Estáticos y Dinámicos de forma lineal y No Lineal a través de funciones espectrales y Tiempo-Historia. Pueden incorporarse cables, resortes, amortiguadores, aisladores, Disipadores, secciones no prismáticas, etc.

SAP-2000 determina a través del método de elementos finitos la respuesta en términos de fuerzas, esfuerzos y deformadas en los elementos de área y sólidos, presentando una salida gráfica y por tablas, haciéndolo la herramienta predilecta para ingenieros estructurales dedicados a la investigación, desarrollo de proyectos y construcción.

SAP-2000 posee un poderoso diseño en acero, concreto y aluminio completamente integrado, todos disponibles desde la misma interfaz usada para modelar y analizar el modelo. El diseño de miembros de acero y aluminio permite el predimensionado inicial y una optimización interactiva, y el diseño de elementos de concreto incluye el cálculo de la cantidad de acero de refuerzo

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requerido, considerando incluso un nivel de diseño sismorresistente. El diseño en general, se realiza a través de códigos internacionales actualizados

En relación al análisis No Lineal podemos obtener la curva de capacidad de una estructura a través de la aplicación de un Pushover y la definición de articulaciones plásticas en los extremos de los elementos. Esta curva de Capacidad permite estudiar los mecanismos de falla que presenta un determinado modelo obteniendo la ductilidad, capacidad última, máxima deformación inelástica, etc. Adicionalmente, la capacidad puede verificarse contra la demanda impuesta siguiendo los criterios de las Normas FEMA 356, FEMA 440, ATC 40, Esto permite validar los procedimientos normativos en el área de desempeño sismorresistente.

El uso de Resortes con un comportamiento sólo a compresión permite estudiar, análisis y diseñar sistemas de cimentaciones y/o Losas sobre un medio elástico como el suelo, desincorporando aquellos resortes que bajo un determinado caso de carga se encuentran a tracción (Up-lift). Adicionalmente, a través del comando section cut en elementos de Lineales, de Área y Sólidos podemos obtener las Fuerzas Resultantes que actúan, en un grupo específico de elementos, bajo un determinado régimen de cargas.

Por otra parte, puede realizarse un estudio de la capacidad a compresión (Carga Crítica de pandeo) de modelos de líneas, áreas y sólidos simulando conexiones, cerchas, planchas, perfiles, sistemas en Acero, etc.

Por otra parte, SAP-2000 fue desarrollado bajo la hipótesis de que la estructura está formada por barras prismáticas (aunque también maneja cierto tipo de barras de sección variable) de eje recto, considerando también la posibilidad de modelar elementos placa y sólido (elementos finitos).

El programa consta de una interfaz gráfica muy amable con el usuario (ver figura 1), y consta de una serie de menús que no se despliegan automáticamente al abrir el programa como sucede con otras suites de cálculo estructural, lo que lo hace en cierta manera muy manejable, aunque realmente la facilidad para interactuar con un programa como SAP-2000 depende de que el usuario esté familiarizado no únicamente con los conceptos básicos y el procedimiento del análisis y el diseño estructural, sino también con la terminología y nomenclatura, además de un nivel básico de inglés. La terminología básica y los menús y demás cuestiones esenciales se irán describiendo más adelante.

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Figura 1.1.Ventana principal del programa SAP-2000 v.15 Ultimate

Previamente a adentrarse en el programa hay que conocer la biblioteca de elementos que podrían constituir un modelo en SAP-2000, así mismo identificar los ejes coordinados globales y locales para la correcta operación del programa, los cuales se identifican en la ventana de la derecha en la figura 1.2.

Figura 1.2. Ventana con menú de secciones y ejes globales del modelo

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1.2 ELEMENTOS DE UN MODELO EN SAP2000 Los elementos de un modelo estructural (nudos, barras, losas, muros, etc.) son representados en SAP2000 mediante objetos, así los puntos representan nodos, las líneas representan barras y conjuntos de líneas dan lugar a elementos planos que, usualmente varios de ellos pueden representar losas, muros, etc. Mediante la interfaz gráfica propia de SAP2000 el usuario “dibuja” esos objetos (puntos, líneas, conjuntos de líneas, etc.) para después asignarles propiedades, por ejemplo, asignarle restricciones a puntos con lo que se están definiendo apoyos, propiedades geométricas y mecánicas a líneas para especificar barras, asignar fuerzas a puntos (nudos) y a líneas (barras), etc. En general, se procura que la geometría de un objeto corresponda con la del elemento físico que se modela (barra, muro, apoyo, etc.).

1.2.1 Elemento Frame El elemento más utilizado después de los nodos por supuesto, es el elemento Frame (Barra), el cual se emplea para modelar elementos Viga/Columna, armaduras, contravientos en estructuras planas y espaciales.

Para este elemento, SAP-2000 utiliza una formulación viga-columna que incluye los efectos de flexión biaxial, torsión, deformación axial y deformaciones biaxiales por cortante.

El elemento Frame se modela como una línea recta conectada por dos puntos: i y j, los cuales no pueden ocupar la misma posición en el elemento. Cada barra tiene su propio sistema coordenado local que permite definir sus propiedades geométricas y cargas así como interpretar los resultados (elementos mecánicos).

Cada barra puede ser cargada por su propio peso, cargas múltiples

concentradas o cargas múltiples distribuidas, así mismo es posible definir la dimensión finita de la unión viga-columna y así mismo, liberar algún elemento mecánico en sus extremos.

Para el

elemento barra se activan los seis grados de libertad en sus dos extremos.

Como se mencionó anteriormente, cada elemento barra tiene su propio sistema coordenado local que se utiliza para definir las propiedades de sus sección transversal, cargas y resultados, los ejes de ese sistema local se identifican como 1, 2 y 3, el eje 1 está dirigido a lo largo del elemento, los otros dos forman un plano perpendicular al elemento con una orientación específica, en la mayoría

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de las estructuras la ubicación de los ejes locales es muy sencilla y, generalmente, queda determinada por la relación entre el eje local 1 y el eje global Z (orientación automática).

Para comprender más del elemento Frame, se recomienda revisar la referencia CSI Analysis Reference Manual, en su Capítulo 4 – Elemento Barra. La referencia se localiza en el menú raíz del programa o en el disco de instalación.

1.3 SISTEMAS DE COORDENADAS Cada estructura puede utilizar diferentes sistemas de coordenadas para describir la ubicación de los puntos, los sentidos o direcciones de las cargas, los desplazamientos, las fuerzas internas y esfuerzos. La comprensión de estos diferentes sistemas de coordenadas es crucial para ser capaz de definir correctamente el modelo e interpretar los resultados.

Todos los sistemas de coordenadas en el modelo se definen con respecto a un único sistema global de coordenadas. Cada parte del modelo (elemento, ó restricción) tiene su propio sistema de coordenadas local. Además, puede crear alternativas de sistemas de coordenadas que se utilizan para definir las ubicaciones y direcciones.

Todos los sistemas de coordenadas son de tres dimensiones, y con productos de vectores cruzados se definen los sistemas locales y alternos con respecto al sistema global.

SAP-2000 asume siempre que Z es el eje vertical, con +Z en dirección vertical positiva. La dirección vertical se utiliza para ayudar a definir los sistemas de coordenadas locales.

La ubicación de puntos y direcciones en un sistema de coordenadas se pueden especificar utilizando coordenadas cartesianas o cilíndricas.

1.3.1 Sistema de Coordenadas Globales El sistema de coordenadas globales es tridimensional, satisface la regla de la mano derecha, y tiene coordenadas cartesianas. Los tres ejes, denominados X, Y y Z, son mutuamente perpendiculares entre sí y deben tener un origen, (ver figura 1.3).

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Como se dijo, SAP2000 siempre asume que el eje +Z es vertical y hacia arriba, los sistemas coordenados locales para nudos, elementos, son definidos con respecto a esa dirección positiva, la carga de peso propio siempre actúa en la dirección –Z.

Para mayor revisión del tema, se recomienda consultar la referencia CSI Analysis Reference Manual, en su Capítulo 3 – Sistemas Coordenados.

1.3.2 Sistema de Coordenadas Locales

Cada parte del modelo estructural (nudo, barra, apoyo, etc.), tiene su propio sistema coordenado local que se utiliza para definir propiedades y cargas así como para referenciar la respuesta estructural de esa parte. Los ejes coordenados locales se identifican con los números 1-2-3, en general estos ejes pueden variar de nudo a nudo, de barra a barra, de apoyo a apoyo.

Las coordenadas locales 1-2-3 de los nodos, normalmente son las mismas que las coordenadas X-YZ del sistema global. Sin embargo, se puede definir cualquier orientación arbitraria para un sistema coordenado local especificando dos vectores de referencia y/o tres ángulos de rotación.

De acuerdo a la figura 1.3, el eje 1(x) se muestra en color rojo, el 2(y) en blanco y el 3(z) en azul.

Figura 1.3 Ejes Coordenados Globales en SAP2000

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INTRODUCCIÓN AL MODELADO DE ESTRUCTURAS CON SAP-2000

CAPÍTULO II

2.1 RECOMENDACIONES PARA EL USO DEL PROGRAMA DE CÓMPUTO El programa de cómputo SAP-2000 posee una interfaz gráfica como una opción que le permite al usuario modelar, analizar, diseñar y desplegar tanto datos como resultados de una estructura, una vez que se cuenta con los datos de geometría, propiedades de los materiales de los cuales están hechos los elementos estructurales así como las cargas y desde luego un completo y correcto entendimiento del problema, se está en condiciones de utilizar el programa, para ello habrá necesidad de modelar a los elementos anteriores.

Una vez definido el modelo que se utilizará para esos elementos se introducirá el modelo completo utilizando la interfaz gráfica.

2.2 EJECUCIÓN DEL PROGRAMA Para empezar a trabajar en SAP-2000 se puede dar doble clic izquierdo sobre el ícono ubicado en el escritorio de Windows, o bien, en Inicio de Barra de Tareas, desplazarse a Programas y ubicar Computers and Structures, el cual desplegará el listado de programas de dicha compañía y donde encontraremos la pestaña de SAP2000 v.15 y se termina dando clic izquierdo en SAP-2000.

Al entrar al programa se nos presenta una pantalla de fondo blanco.

Allí en la parte inferior

derecha se despliega un menú con las unidades a utilizar en la generación del modelo estructural, mientras que en la parte superior izquierda se encuentra activo el menú File (Archivo) donde se puede abrir o importar un modelo existente, o bien, generar un nuevo modelo. Por otra parte, en la parte superior se encuentra el menú Help (Ayuda), como se muestra en la figura 2.1.

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Figura 2.1. Ventana Principal de SAP2000

2.3 LISTA GENERAL DE MENÚS DESPLEGABLES EN PANTALLA

Como se muestra en la figura 2.1, la pantalla principal de SAP-2000 despliega los siguientes menús en la parte superior y en el extremo izquierdo (ver figuras 2.2), los cuales se describen más adelante.

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Figuras 2.2. Menús e iconos del programa SAP2000

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2.3.1. Descripción de Menús del programa SAP-2000 A continuación se describen los Menús, uno por uno, para que el usuario comience a familiarizarse con los términos técnicos y la ubicación de los mismos para con ello estar en condiciones de generar la primera estructura en SAP-2000.

Los Menús descritos a continuación son todos aquellos localizados en la parte superior de la ventana principal de SAP-2000.

Los iconos del extremo izquierdo no serán descritos ya que

pueden ser activados desde los menús superiores.

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Menú File: Archivo.

EL menú File (Figura 2.3) permite manipular la información de alguna estructura contenida en un archivo previamente generado o manipular desde el origen un archivo de un modelo estructural nuevo. Al entrar al menú File, se presentan las siguientes opciones activas:

Iniciar un Nuevo Modelo Abrir un Modelo existente

Guardar Modelo Importar Archivo Exportar Archivo

Crear Video Configuración de Impresiones Imprimir Gráficos Imprimir Tablas Configuración del Reporte Crear Reporte

Capturar Imágenes y Archivos

Mostrar y Modificar la información del Proyecto Mostrar Archivo de Entrada

Lista de Archivos utilizados recientemente

Salir

Figura 2.3. Menú File

New Model Initialization: Condiciones de Inicio de un Nuevo Modelo.

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Al seleccionar la opción “New Model” se nos presentan las diferentes estructuras predeterminadas, como se muestra en la figura 2.4.

Condiciones de Inicio de Nuevo Modelo

Unidades

Información del Proyecto

Seleccionar Plantilla

Figura 2.4. Ventana para Nuevo Modelo

Initialize Model from Default with Units: Iniciar un Modelo con las unidades seleccionadas. Initialize Model from an Existing Model: Iniciar un Modelo a partir de uno existente con sus unidades, definiciones y preferencias.

Al iniciar SAP-2000 se recomienda seleccionar las unidades en las que se van a introducir los datos de la estructura a analizar y tenerlas presentes a la hora de definir alturas, anchos de crujías, secciones, propiedades mecánicas, cargas estáticas o dinámicas, etc.

Select Template: Seleccionar Plantilla.

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Pantalla en blanco

Sólo Cuadrícula

Vigas

Armaduras Planas

Armaduras Espaciales

Marcos Planos

Para el caso de las estructuras tipo armadura sólo se considerará el efecto axial en el análisis. En las estructuras planas se consideran cortante y axial en el plano de la estructura y flexión perpendicular a ese plano. En las estructuras espaciales, se consideran flexión y cortante en dos direcciones, torsión y axial, con seis grados de libertad por nudo, desde luego que se pueden liberar extremos de las barras a algún elemento mecánico y suprimir o ligar grados de libertad (diafragma rígido por ejemplo).

Marcos Espaciales

Muros

Losas

Estructuras bajo tierra

Cascarones

Modelos sólidos

Escaleras

Estructuras de Depósito

Tuberías y Placas

Bien, ahora empecemos con la modelación:

Opción Blank: Se nos presenta la pantalla divida verticalmente sin ningún tipo de definiciones (figura 2.5), regularmente a la izquierda se aprecia el modelo en 3D y a la derecha el modelo en el plano que el usuario elija, sin embargo ambos pueden ser redefinidos por el usuario.

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Figura 2.5. Ventanas principales del programa SAP2000

Esta opción es muy útil y recomendable si se quiere importar un modelo donde se tienen todas las definiciones preestablecidas incluyendo las líneas de Grid que funcionan como ejes referenciales en 3D.

Opción Grid Only: Al entrar se nos presenta una ventana donde se pueden definir las líneas de Grid para un Sistema de Coordenada Cartesiano o Cilíndrico (ver figura 2.6).

En este Manual nos concentraremos

únicamente en el Sistema de Coordenadas Cartesianas como se muestra a continuación:

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Selección de Coordenadas Cartesianas

Número de Líneas de la Cuadrícula en dirección X,Y, Z

Espaciamiento de Líneas de la Cuadrícula en dirección X,Y, Z

Ubicación de la primera línea de la Cuadrícula en dirección X,Y, Z

Figura 2.6.Definición de ejes principales (Grids)

Al dar clic en OK, el programa nos mostrará lo siguiente (ver figura 2.7): (Nótese que coincide el número de ejes arriba declarados).

Figura 2.7. Vista 3D y 2D de los Ejes ó Grids

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Opción Beam: Al entrar se nos presenta una ventana (figura 2.8) donde se puede definir el número de tramos, longitud de los tramos, la sección de la Viga, Restricciones y las líneas de Grid. Editar espaciamiento de las líneas del Grid y ubicación del origen

Número de tramos de la viga

Lista de secciones (Previamente definidas)

Longitud de tramos

Añadir una nueva sección de la Biblioteca o una sección propia del usuario

Figura 2.8. Opciones para Elemento Viga

Al definir lo anterior, el programa nos modela lo que se aprecia en la figura 2.9.

Figura 2.9. Modelación de Viga en 2D y 3D

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Opción 2D Trusses: Al entrar se nos presenta una ventana (figura 2.10), donde se puede elegir entre tres tipos de Armaduras Planas. En cada caso se especifica el Número de Divisiones, Longitud de las Divisiones, Alturas, Secciones, Restricciones y las Líneas de Grid. Editar espaciamiento de las líneas del Grid y ubicación del origen

Número de divisiones

Longitud de tramos

Altura Tipo de Armadura Plana

Cerchas Arriotramientos

Incluir restricciones (apoyos)



Figura 2.10. Opciones para Elemento Armaduras Planas

Al establecer los parámetros anteriores se obtiene la siguiente vista de pantalla (figura 2.11):

2.11. Modelación de Armadura Plana (Tipo 1)

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A continuación se muestra otro tipo de armadura que es posible modelar en SAP-2000.

2.12. Modelación de Armadura Plana (Tipo 2)

Opción 2D Frames: Al entrar se nos presenta una ventana (figura 2.13), donde se puede elegir entre tres tipos de Marcos Planos. En cada caso se especifica el número de Pisos, Altura de Pisos, número de crujías, ancho de crujías, secciones, Restricciones y las Líneas de Grid.

Editar espaciamiento de las líneas del Grid y ubicación del origen

Dimensiones generales del Marco

Tipo de Marco Plano

Vigas Columnas

Incluir restricciones (apoyos)


2.13


2.13. Opciones para Marcos Planos

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Number of Stories: Número de Pisos Number of Bays: Número de Crujías Story Height: Altura de Pisos Bay Width: Ancho de Crujía

La modelación en SAP-2000 para Marcos Planos es la siguiente (figura 2.14):

Figura 2.14. Modelación de Marco Plano

Definición de la Cuadrícula (Grid) Para acceder a la ventana Define Grid System Data, hay 3 maneras distintas. La primera es mediante la ventana de Nuevo Modelo y seleccionar Grid Only, allí el usuario define el número de ejes y la distancia entre ellos, la cual de esta manera todas las crujías de lo que será el modelo tendrán la misma distancia, para modificar este detalle y otros, es necesario modificar la Cuadrícula (Grid), para ello basta con dar clic derecho sobre la ventana de trabajo para posteriormente dar clic izquierdo sobre Modify/Show System, como se muestra a continuación (figuras 2.15):

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Figura 2.15. Acceso a menú para modificar Grids.

Con lo cual accedemos a la ventana Grid System Data (ver figura 2.16), en la cual se pueden modificar las coordenadas de cada eje X, Y, Z, así como los colores y su visibilidad.

Unidades

Opciones de edición y formatos

Nombre del eje

Vista General

Coordenadas

Mostrar Coordenadas o separación entre ejes Mostrar u ocultar ejes Tipo de Línea: Primaria o Secundaria

Visibilidad del eje

Tamaño de la burbuja que marca el eje

Figura 2.16. Definición y configuración para Ejes-Grids

Grid ID: Nombre del Eje. Line Type: Permite definir el tipo de Eje. Visibility: Permite definir si el Grid se quiere mostrar en el modelo estructural. Bubble Loc: Permite cambiar la orientación del eje.

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Bubble Size: Tamaño de la burbuja de cada eje. Grid Color: Permite asignarle a cada Eje un color particular. Hide All Grid Lines: Ocultar todos los ejes. Blue To Grid Lines: Unir las líneas al Grid. Reorder Ordinates: Reordenar Coordenadas.

Las segunda opción para acceder a la ventana anterior es de igual manera teniendo abierto cualquier modelo o habiendo accedido a un nuevo modelo de Vigas, Armaduras, Marcos, siempre al dar clic derecho y repetir al procedimiento anterior se podrá acceder a modificar los ejes de la estructura a modelar, lo cual es una gran ayuda ya que es frecuente en la práctica profesional la existencia de cambios en la geometría del proyecto.

La tercera forma de ingresar a la ventana de Grid, es al seleccionar un Nuevo Modelo ya sea de Vigas, Armaduras, Marcos, etc, nos aparece una ventana para establecer las medidas, secciones, restricciones del modelo y siempre un botón Edit Grid, al dar clic izquierdo en él, se accede automáticamente a la ventana de configuración de ejes.

Una vez creado el Modelo base y la Cuadrícula de Ejes (Grid) se activan muchos Menús, por lo cual se prosigue a explicar cada uno de ellos.

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Menú Edit: Editar.

El menú Edit (Figura 2.17) permite desde introducir y hacer cambios a la geometría del modelo hasta suprimir y modificar algunos de sus elementos estructurales. La mayor parte de las opciones contenidas en este menú operan en conjunto con las del menú Select, el cual se expondrá más adelante. Al abrir el Menú Edit se tiene lo siguiente:

Deshacer y Rehacer

Cortar Copiar Pegar Borrar Agregar Plantilla al Modelo

Mostrar en Tablas lo actualmente modelado Replicar nodos, elementos del modelo Extruir elementos a áreas, sólidos Cambiar las coordenadas de nodos, elementos Editar Nodos Editar elementos (dividir líneas) Editar Áreas Dividir Sólidos Mostrar elementos duplicados Unir elementos duplicados Cambiar etiquetas a nodos, elementos, cargas, etc

Figura 2.17. Menú Edit

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Menú View: Visualizar.

El menú View (Figura 2.18) permite la modificación de las vistas y el despliegue del modelo estructural en la ventana principal de SAP-2000.

Este menú es a criterio del usuario, ya que

depende como mejor se acomode y cuánto se le facilite trabajar al mismo con una vista en 2D, 3D, usar o no ejes principales, o hasta recortar la estructura 3D a una vista en 3D. El menú View, despliega las siguientes opciones:

Vista en 3D Vista en el plano

Fijar límites del Modelo

Establecer opciones de Visualización Zoom de Ventana Restaurar Vista Completa Zoom Previo Acercar Zoom en un paso Alejar Zoom en un paso

Desplazarse en el Modelo Mostrar Cuadrícula de Ejes Mostrar Ejes Globales

Ver elementos no seleccionados

Restaurar selección previa en la vista Mostrar todo Actualizar ventana Actualizar vista

Figura 2.18. Menú View

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Menú Define: Definir.

El menú Define (ver figura 2.19), es tal vez el menú más importante y utilizado en SAP-2000; en él se permite especificar propiedades mecánicas de los materiales, características geométricas como forma, dimensiones, material, etc. para los elementos del modelo (Frame: Vigas/Columnas) y algunas características para los elementos placa (Shell), entre muchas otras secciones estructurales. Además aquí se pueden agrupar secciones idénticas o similares ya sea por ejes o por muchas otras características. Por otra parte, se permiten definir las características generales de las condiciones de carga estática y dinámica y que cargas utilizar en el análisis, si el peso propio de los elementos o únicamente el peso proveniente de las cargas gravitacionales.

El menú Define se muestra

enseguida:

Materiales Propiedades de las secciones Fuente u Origen de las Masas

Establecer Cuadrícula (Grid) Restricciones de nodos Patrones de nodos Grupos Parámetros para los Grupos Desplazamientos generalizados Funciones Dinámicas (Espectros, acelerogramas,etc) Patrones de Carga Casos de Carga Combinaciones de Carga Cargas en Puentes Vistas en 2D y 3D Configurar factores en Marcos y Elementos Configurar parámetros de Análisis Pushover Nombres de Tablas de datos y resultados

Figura 2.19. Menú Define

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Menú Draw: Dibujar.

Algunas de las opciones del menú Draw (ver figura 2.20) permiten dibujar esquemáticamente a los elementos barra, placa, etc. con los que se irá construyendo el modelo estructural por analizar, algunas opciones de uso frecuente son:

Modo de Selección Redibujar o editar elementos Dibujar Nodo

Dibujar Viga-Columna/Cable/Tensores Dibujar rápido elementos: Viga-Columna/Cable/Tensores Dibujar rápido contravientos Dibujar rápido vigas secundarias Dibujar un área mediante una poligonal Dibujar área rectangular Dibujar rápido un área Dibujar un sólido Dibujar disipador/aislador en un nodo Dibujar disipador/aislador entre dos nodos Dibujar rápido disipador/aislador

Dibujar un punto de referencia Dibujar una línea de referencia Punteros de precisión Etiquetas nuevas a nodos/elementos

Figura 2.20. Menú Draw

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Menú Select: Seleccionar.

El menú Select, permite seleccionar nodos y elementos ya existentes en el modelo estructural, así mismo se pueden seleccionar grupos de elementos, coordenadas. Lo anterior es básico para poder asignar propiedades físicas y mecánicas a los mismos, como se mostrará en menú que procede al actual. Las opciones del menú Select son las que se muestran en la figura 2.21:

Seleccionar: Nodos, Elementos, Apoyos, Coordenadas, Grupos, etc Deseleccionar: Nodos, Elementos, Apoyos, Coordenadas, Grupos, etc Seleccionar mediante tablas Invertir selección Regresar a la selección previa Limpiar selección completamente

Figura 2.21. Menú Select

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Menú Assign: Asignar.

Después de pasar por el menú Select, es posible asignar apoyos, restricciones, secciones, cargas, tanto a nodos como a elementos estructurales como vigas/columnas, cables, áreas, sólidos, disipadores/aisladores. El presente menú nos muestra la siguientes opciones activadas una vez que estén seleccionados los debidos elementos a modificar (figura 2.22).

Asignaciones a Nodos Asignaciones a elementos de Marcos:Vigas/Columnas Asignaciones a Cables Asignaciones a Tensores Asignaciones a Áreas Asignaciones a Sólidos Asignaciones a Disipadores/Aisladores Cargas a Nodos Cargas a elementos de Marcos:Vigas/Columnas Cargas a Cables Cargas a Tensores Cargas a Áreas Cargas a Sólidos Cargas a Disipadores/Aisladores Asignar patrones de factores a Nodos Asignar a Grupos Actualizar propiedades de Articulaciones Limpiar visualización de asignaciones Copiar Asignaciones Pegar Asignaciones

Figura 2.22. Menú Assign

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Menú Analyze: Analizar.

El menú Analyze (Figura 2.23), permite definir las opciones del Análisis Estructural.

Empezando

por definir los grados de libertar globales del modelo, los casos de carga a considerar, la ejecución final del análisis y como opción adicional es la ejecución automática del análisis después de efectuar una modificación del modelo.

Las opciones recién enumeradas se muestran a

continuación. Al efectuar el análisis el programa automáticamente guardará el archivo del modelo en caso de que no se encuentre respaldado y pediré el nombre del mismo para asignárselo.

Establecer opciones de Análisis Crear un modelo de Análisis Establecer Casos de Carga para ejecutar Ejecutar Análisis Ejecución automática de Análisis al modificar el modelo Modificar la Geometría No-deformada Mostrar detalles del último análisis

Figura 2.23. Menú Analyze

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Menú Display: Mostrar.

El menú Display (Figura 2.24), permite solicitarle al programa SAP-2000 que muestre todos los elementos y nodos declarados en el modelo, así mismo sus asignaciones de cargas y tipos de secciones y además los resultados del análisis, en la cual muestra la deformación global de la estructura ante diversos estados y/o combinaciones de carga y los elementos mecánicos y desplazamientos de cada elemento y nodo respectivamente. Todo lo anterior de manera visual, sin embargo permite mostrar los datos anteriores en tablas que pueden ser exportadas a Microsoft Excel. Las opciones del menú Display son las siguientes:

Mostrar Estructura No-Deformada Mostrar Cargas Asignadas Mostrar asignaciones a elementos y nodos

Mostrar Estructura Deformada Mostrar Diagramas de Elementos Mecánicos y deformaciones Mostrar Diagramas de Elementos Mecánicos en Puentes Mostrar Diagramas de Trabajo Virtual Mostrar Líneas de Influencia Mostrar Espectro de Respuesta Graficar Funciones Dinámicas Mostrar Curva de Análisis Estático Pushover Mostrar resultados en Articulaciones Mostrar Tablas Guardar la Vista Actual Mostrar Vistas guardadas

Figura 2.24. Menú Display

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Menú Design: Diseñar.

El menú Design permite seleccionar y definir los parámetros de diseño para el material en que fue modelada la estructura que analizamos, y puede ser Acero, Acero forjado en frio, Concreto y Aluminio, todos ellos con diversos Códigos Internacionales actualizados, así mismo es posible efectuar el diseño de Puentes de concreto y acero. El menú Design arroja las siguientes opciones en su ventana (figura 2.25).

Diseño de Elementos en Acero Diseño de Elementos en Concreto Diseño de Elementos en Aluminio Diseño de Elementos de Acero Forjados en Frio

Figura 2.25. Menú Design

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Menú Options: Opciones.

El menú Options (figura 2.26), puede ser utilizado por el usuario aunque en mucha menor medida a los anteriores, aquí es posible definir las dimensiones de las vistas gráficas en la ventana principal de SAP-2000, los colores de fondo, de elementos, nodos, apoyos, automatizar el sistema de unidades a emplear, hasta lograr que el modelo pueda visualizarse en una manera tridimensional renderizada con proyecciones más atractivas principalmente para ser incluidas en una memoria de cálculo estructural. Por último, se pueden definir el número de vistas o ventanas secundarias dentro de la ventana principal del programa, desde una hasta cuatro, lo cual depende del usuario. El menú Options muestra lo siguiente:

Dimensiones en Vistas Gráficas Colores en Vistas y Resultados Establecer Sistema de Unidades automático Salidas de Resultados en formatos de Word, etc Modo de Gráficas Número de ventanas en pantalla principal

Figura 2.26. Menú Options

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Menú Help: Ayuda.

Por último y no menos importante es el menú Help, bastante amplio, con la desventaja para el usuario de este país que toda la ayuda es en idioma Inglés, el cual no siempre es fácil de comprender en SAP-2000 al manejar un lenguaje totalmente técnico. La ayuda se despliega a manera de un índice con opciones de búsqueda, así mismo tiene links directos a los manuales oficiales que se ubican en la carpeta raíz donde fue instalado SAP-2000, es decir, en ‘C:/ArchivosdePrograma/ComputersandStructures/SAP2000/Manuals’.

Además

incluye

el

link

directo a la página web de Computers and Structures, desarrollador de SAP2000 donde se muestran videos tutoriales para el modelado y análisis de ciertos elementos avanzados, (ver figura 2.27).

Índice de la Ayuda Documentos y Manuales Oficiales de SAP-2000 Enlace a la página web de SAP-2000 Actualizaciones en la versión 15 de SAP-2000 Acerca de SAP-2000

Figura 2.27. Menú Help

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2.4 CAPACIDADES ADICIONALES DEL PROGRAMA SAP-2000

Dejando a un lado la gran amplitud de los menús y herramientas de las que está compuesto SAP2000, hay que dar énfasis a las capacidades adicionales que serán de gran ayuda para el usuario, entre las que menciona el autor en el presente manual está la interacción sencilla y rápida con otros programas de cómputo muy utilizados en el arte del análisis y diseño estructural, dicha interacción se describe en los subcapítulos siguientes.

2.4.1 Importación del modelo haciendo interfaz con otros programas de cómputo

2.4.1.1 Relación con AutoCAD

La geometría de la estructura puede ser generada por AutoCAD, donde es recomendable manejar todo el dibujo mediante un solo layer. El dibujo de AutoCAD será guardado con la extensión (.dxf), en vez de la tradicional (.dwg), como se muestra en la siguiente imagen (figura 2.28):

Figura 2.28. Dibujo de Marco Contraventeado en AutoCAD

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En SAP-2000, para interactuar con AutoCAD es necesario trasladarse al Menú File, y ubicar la opción Import como lo muestra la figura 2.29, donde se selecciona AutoCAD .dxf File.

Figura 2.29. Menú para importar archivos de AutoCAD

Posteriormente se genera la ventana donde se carga el archivo del equipo de cómputo, en este caso con extensión (.dxf), a lo que enseguida el programa arroja la siguiente ventana (figura 2.30), la cual indica el Eje principal y las unidades del modelo que se importa a SAP-2000.

Figura 2.30. Dirección de ejes y unidades en el proceso de importación de AutoCAD

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A continuación de la ventana anterior aparece la siguiente (ver figura 2.31), en la cual es necesario indicar el layer para cada nodo y elemento estructural del modelo, es decir, del layer automático que aparece en la ventana el cual es NONE, hay que seleccionar NODES para el caso de Nodos, FRAMES para el caso de Elementos Viga/Columna y así sucesivamente en el caso de áreas, sólidos y finalizar dando click en OK, con lo cual se termina por importar la geometría de AutoCAD al SAP2000 (ver figura 2.32). De no seleccionar los layers correspondientes no se importaría ninguna geometría al programa.

Figura 2.30. Definición de layers para importar el modelo de AutoCAD

Figura 2.32. Modelo importado de AutoCAD a SAP2000

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Finalizada la importación se procede a completar el modelo, es decir, editar las propiedades mecánicas de los materiales, de los elementos estructurales, las cargas, el tipo de análisis, utilizando las herramientas de edición arriba descritas, del programa SAP-2000.

Pero no solo puede importarse de AutoCAD a SAP-2000, sino viceversa, ya que es posible exportar la geometría de cualquier modelo realizado en SAP-2000 a AutoCAD con la opción Export del mismo menú File, la exportación se efectúa a una extensión (.dxf), lo cual se muestra en la figura 2.33.

Figura 2.33. Menú para exportar archivos de SAP2000 a AutoCAD

2.4.1.2 Relación con STAAD.Pro

De manera muy similar al caso del AutoCAD ocurre la interacción con el programa STAAD.Pro. El STAAD.Pro es la gran competencia del SAP-2000 en el área de análisis y diseño de estructuras por computadora, y el SAP-2000 permite la interacción entre ambos mediante la importación de

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modelos de STAAD.Pro a SAP-2000, lo cual es una gran ventaja cuando sea necesario cambiar de programa de cómputo, porque cierto proyecto estructural exige memorias de cálculo especificas de un programa; o bien para efectuar una comparación de resultados entre ambos paquetes.

La interfaz visual del programa STAAD.Pro, en la cual se encuentran modelados unos Marcos 3D, es la siguiente (figura 2.34):

Figura 2.34. Interfaz gráfica y modelo en STAAD.Pro

Para importar este modelo a SAP-2000, se sigue el procedimiento descrito para los modelos desde AutoCAD. En menú File, después Import, se va a la pestaña que dice STAAD/GTSTRUDL .std/.gti File, como se muestra en la siguiente figura 2.35 :

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Figura 2.35. Menú para importar modelos de STAAD.Pro a SAP2000

A lo cual nos aparece la siguiente ventana STRUDL Input File (figura 2.36a), que nos muestra el convertidor de archivos de STAAD.Pro y se procede a dar clic izquierdo en Read File para seleccionar el modelo de STAAD.Pro que queremos importar a SAP-2000 y finalmente se da clic en OK. A continuación el programa nos arroja la ventana Staad Input File, muy similar a la anterior, solo que en esta lee el archivo de entrada del modelo de STAAD.Pro y se da clic izquierdo en Convert Data (Figura 2.36b).

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a)

b)

Figura 2.36. Convertidor de modelos estructurales de STAAD.Pro a SAP2000

Después aparece la ventana Select Section Property File, la cual da la opción de seleccionar alguna base de datos de perfiles o secciones transversales, o usar unas secciones automáticas (figura 2.36c).

Por último para terminar la conversación entre los programas de cómputo, aparece la

ventana donde se muestran el total de nodos, apoyos, resortes, líneas, casos de carga, cargas puntuales, cargas en elementos, grados de libertad y finalmente enuncia: Data Converted OK. (ver figura 2.36d).

c)

d)

Figura 2.36. Convertidor de modelos estructurales de STAAD.Pro a SAP2000

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La importación del archivo de STAAD.Pro a SAP-2000 está completada como se muestra en la figura 2.37.

Figura 2.37. Geometría de STAAD.Pro importada a SAP2000

2.4.1.3 Archivo de entrada y su interfaz con editores de texto

El autor de este manual recomienda al usuario siempre la creación del archivo de entrada del modelo estructural realizado en SAP-2000. Entre las razones más comunes para hacer lo anterior están que no siempre podemos trabajar en nuestro equipo de cómputo con la versión y licencia con la que fue efectuado el modelo estructural, y en algunos casos ésta es una desventaja porque existe la limitante para convertir un modelo de una versión actual a una antigua, además la más importante, en algunos casos es más fácil corregir alguna dimensión de vigas, columnas, áreas, propiedades mecánicas en un archivo de texto seleccionando varias líneas de texto, que hacerlo uno por uno de manera visual dentro de SAP-2000.

Antes de mostrar cómo realizar lo anterior, empecemos creando el archivo de entrada de SAP2000.

Para ello, como en las anteriores ocasiones, hay que ubicarnos en el Menú File,

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posteriormente en Export y finalizar con un clic izquierdo sobre la pestaña SAP2000 .s2k Text File, como se muestra en la figura 2.38.

Figura 2.38. Geometría de STAAD.Pro importada a SAP2000

Para lo cual se le asigna un nombre al archivo a crear con extensión (.s2k) y nos aparece la siguiente ventana (figura 2.39), en la cual darán clic en la pestaña junto a Model Definition para con ello seleccionar todos los datos a guardar en el archivo, o bien, escoger lo que realmente sea necesario, pero es recomendable guardarlo completo, y para lograrlo se finaliza dando click izquierdo en OK.

Figura 2.39. Elección de datos a guardar en archivo de entrada

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El archivo resultante de extensión (.s2k) puede ser abierto con Block de Notas, Microsoft Office Word, WordPad, UltraEdit (recomendable), como se muestra a continuación (figura 2.40):

Figura 2.40. Archivo de entrada (.s2k) visualizado en UltraEdit

Como verán en la figura 2.40, se encuentra seleccionada en color azul la versión del programa SAP-2000, (15.0.0), de manera que ahí es donde se hará la modificación de la versión del programa si fuera necesario tener que abrir un modelo realizado en una versión superior del programa a la instalada en el equipo de cómputo. Tan solo es necesario modificar el ‘15’ por el número que tengan de versión en su equipo y darle guardar y el archivo será leído sin contratiempos. Cuando trabajan en una versión superior a la utilizada en el modelo, el programa SAP-2000 hará una conversión automática.

Bien, el otro punto mencionado anteriormente, acerca de modificar propiedades de secciones, cargas y otros valores de la geometría y del modelo en general con el archivo de texto (.s2k) para no tener que hacerlo de manera visual en SAP-2000, se muestra con el siguiente ejemplo de un puente atirantado, compuesto de decenas de cables (ver figura 2.41).

Como tendrán de

experiencia, el proyecto estructural siempre corre el riesgo de ser modificado, por lo que modificar

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el área o longitud de estos cables sería un trabajo lento y que requiere mucho tiempo, sin embargo con el archivo (.s2k) se puede hacer lo siguiente.

Figura 2.41. Modelo 3D de Puente Atirantado en SAP2000

La ventaja del editor de texto (UltraEdit) es poder seleccionar columnas (ver figura 2.42), y si tenemos el listado de longitudes de cada cable en Microsoft Excel por ejemplo, solo se pega sobre la selección y se guarda y automáticamente al importar el modelo a SAP-2000, se tendrán las nuevas longitudes para los elementos Cable.

Figura 2.42. Modificación de longitudes de cables del modelo de la figura 2.41

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2.4.1.4 Interacción con Microsoft Excel

Existen tres procedimientos básicos para interactuar con Microsoft Excel. La primera y más sencilla es para transportar la geometría a Excel, lo cual se logra seleccionando el modelo, dar clic en EditCopy u oprimir Ctrl+C y pegarlo en una hoja de Excel.

La segunda es para mostrar todo lo

relacionado con el modelo: geometría, nodos, conectividades de columnas, vigas, cargas, combinaciones de cargas, parámetros de análisis y diseño. Para esto, basta con ir al Menú File y dar clic izquierdo en Export y finalizar con un clic en SAP200 MS Spreadsheat .xls File, a lo cual aparece una ventana idéntica a la de la figura 2.39, donde se selecciona los datos en entrada, así como los resultados del análisis en caso de que ya fuera realizado, y muestra una salida a Excel como se muestra a continuación (ver figura 2.43).

Figura 2.43. Datos de modelo de SAP2000 exportados a Microsoft Excel

En la ventana se muestra las conectividades del elemento Frame (Vigas/Columnas) y así mismo en las ventanas inferiores de las hojas de trabajo de Excel se muestran otras propiedades, como las cargas asignadas, los elementos mecánicos, etc. Por último, la tercera opción para interactuar con Excel es mediante el Menú Display-Show Tables, donde uno elegirá que datos o resultados únicamente desean ser mostrados en tablas y a su vez ser exportadas a Excel (ver figura 2.44).

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Figura 2.44. Tablas de datos de modelo y su exportación a Microsoft Excel

En la tabla de la figura 2.44, se muestran los elementos mecánicos de un modelo estructural, y como es exportado a Excel. Esta es una manera más breve para exportar únicamente lo que se necesita, por ejemplo, los elementos mecánicos necesarios para realizar un diseño estructural de manera manual o en hojas de cálculo creadas por el mismo usuario.

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MODELADO Y ANÁLISIS ESTRUCTURAL

CAPÍTULO III

3.1 GENERACIÓN DE LA GEOMETRÍA GLOBAL DADA UNA ESTRUCTURACIÓN PREVIA

Una vez que se ha proyectado la estructura, es decir, seleccionar la forma, disposición geométrica, área de la misma, así como, seleccionar la forma de la sección transversal de las barras, definidas las características físicas y mecánicas de los materiales estructurales, especificados los sistemas de fuerzas (definidas cada una de las fuerzas que componen a cada sistema o condición de carga y combinaciones) bajo las cuales se analizará el modelo estructural, seleccionado el tipo de análisis así como saber que se requiere de resultados, entonces se está en condiciones de introducir los datos antes mencionados utilizando la interfaz gráfica que ofrece el programa (descrita en el capítulo anterior) con la cual es posible:

•

Manejar (Definir, mover, copiar, borrar) elementos estructurales.

•

Definir Tipos de apoyo (fijo o con grados de libertad).

•

Definir y asignar propiedades geométricas a los elementos barra de acuerdo a una tabla de perfiles estándar o usar secciones prismáticas (circular, rectangular, Te, etc.), también es posible la utilización de secciones no prismáticas o de sección variable.

•

Definir y asignar propiedades a uno o varios elementos o grupo de elementos, las propiedades pueden ser densidad, módulo elástico, relación de Poisson, coeficiente de dilatación térmica, etc. Así como definir la posición de la sección dentro de la estructura (posición de ejes locales con respecto a los globales). Algunas de las propiedades se tienen predefinidas para ciertos materiales (acero y concreto) o se pueden introducir valores particulares.

•

Seleccionar barras para liberarlos de algunos elementos mecánicos en sus extremos, también se pueden definir diafragmas rígidos.

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•

Introducir fuerzas estáticas aplicadas a los nudos, desplazamientos prescritos en ellos, en el caso de barras se puede incluir el peso propio, fuerzas uniformes, concentradas, con variación lineal, de presfuerzo y debidas a incrementos de temperatura, a ajustes en la longitud inicial de los elementos y algunas otras.

•

Definir una variedad de fuerzas dinámicas (fuerza-tiempo o aceleración-tiempo) pueden incluirse como sistemas de fuerzas, definiendo el lapso de tiempo de actuación de la fuerza.

En resumen, en SAP-2000 la generación de la estructura se entiende como la ubicación con respecto a un Sistema de Coordenadas Globales de los elementos barra y si asi fuera necesario de elementos placa, área, sólidos, etc.

A continuación se presenta una breve descripción de las opciones de uso común así como de los comandos que nos permitirán la generación de la estructura en el orden mencionado al inicio de este capítulo, varios de los menús y comandos fueron descritos en el capítulo anterior.

La forma de iniciar el programa SAP-2000 ha sido descrita en el capítulo anterior (inciso 2.2). Enseguida de abrir el programa, y antes de manipular los menús, se recomienda elegir las unidades de medidas en las cuales se introducirán los datos del modelo. Para esto se da clic izquierdo en la pestaña ubicada en la parte inferior derecha de la ventana principal de SAP-2000 como se muestra en la figura 3.1, y en la cual se elige el sistema de unidades deseado.

Figura 3.1. Edición de unidades

3.1.1 Tipo de Estructura

Como se comentó en el capítulo 2, SAP-2000 ofrece distintas condiciones para iniciar un nuevo modelo y con ello definir la tipología estructural. Siguiendo el orden de la figura 2.4, y

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seleccionando la opción Initialize Model from Default with Units, se selecciona la plantilla Grid Only (Sólo Cuadrícula), la cual nos arrojará la siguiente ventana explicada en la figura 2.6, a la cual hay que asignarle el número de Grid Lines o Ejes en cada dirección y las distancias de cada crujía y la altura de entrepiso, como se muestra en la figura 3.2.

Figura 3.2. Edición de números de ejes en cada dirección X-Y-Z.

De acuerdo a los datos anteriores, estamos modelando un Marco Espacial que representa a un Edificio, de 6 niveles con entrepisos de 3.0 metros, teniendo una altura total de 18 metros; en planta una longitud de 40 metros con 4 crujías de 10 metros cada una (Eje X) y un ancho de 33 metros con 3 crujías de 11 metros (Eje Y). Notarán que el número de Grid Lines para X y Y no coinciden con el número de crujías, lo cual es correcto ya que los ejes siempre serán el número de crujías más uno.

Al dar clic izquierdo en OK, SAP-2000 despliega lo siguiente en su ventana principal (figura 3.3):

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Figura 3.3. Ejes ó Grids definidos

La ventana principal se encuentra dividida en 2 cuadros mostrando en ellos una vista diferente, (3D en el extremo izquierdo y 2D en el extremo derecho), sin embargo, pueden visualizarse hasta 4 ventanas y en cada una de ellas mostrarse una vista distinta e incluso la misma. En la ventana tenemos los ejes de la cuadrícula, los nombres de cada eje, y los Ejes Coordenados Globales.

Los ejes se muestran en un tono gris siempre, estos cambiarán al incorporar sobre ellos elementos barra por ejemplo, como lo haremos más adelante.

En este caso a modelar, se tiene la ventaja de que todas las crujías son de la misma longitud y por lo tanto la opción Quick Grid Lines (figura 3.2), funcionó de maravilla.

Sin embargo, qué pasa cuando las crujías o los entrepisos tienen distinta longitud, o se desea renombrar los nombres de los ejes en cada dirección; para esto se da clic derecho sobre la ventana donde se proyecta el modelo y se da clic izquierdo en Edit Grid Data y posteriormente en Modify/Show System y OK (como se muestra en las figuras 2.15 y 2.16).

En este caso se modifican los nombres de los ejes de la cuadrícula tanto para X, Y como para Z como se muestra en la figura 3.4.

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Figura 3.4. Modificación de Grids

Otra manera para que se muestre el cuadro de la figura 3.4 es seleccionando Edit Grid del menú Draw. Es recomendable guardar con cierta frecuencia los avances del modelo, para lo cual es necesario trasladarse al Menú File y dar clic en Save ó Save as, y el programa pedirá un nombre de archivo al cual le asignará la extensión (.sdb).

3.1.2 Definir Elementos Estructurales

Una vez definida la geometría se está en condiciones de introducir los elementos que componen a la estructura.

El orden al inicio del presente capítulo señala como primer punto en la generación de la estructura son los tipos de apoyos, sin embargo, por el momento sólo contamos con la cuadrícula de ejes, por lo que se tendrán que definir las vigas y columnas del edificio que se modela.

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Para dibujar los elementos barra hay 2 maneras, la primera es dirigirse al Menú Draw y seleccionar ya sea Draw Frame/Cable/Tendon ó Quick Draw Frame/Cable/Tendon (figura 3.5).

Figura 3.5. Menú Draw para dibujar elementos Barra-Cable-Tensor

El autor del presente Manual recomienda la opción Quick Draw Frame/Cable/Tendon, ya que únicamente se deberá dar clic izquierdo sobre la sección de eje por la que se establece la barra a modelar, la otra opción necesita definir el nodo inicial y el nodo final de la barra, ya que no toma en cuenta la intersección de los ejes en sentido transversal como la opción Quick…

Pero para poder asignar secciones, primero hay que ubicarse en la ventana del extremo derecho en SAP-2000 y definir una vista plana (xz ó yz) (figura 3.6), ya que la asignación de barras en la ventana izquierda con los ejes en dirección X y Y se dificulta por el exceso de líneas.

Figura 3.7. Selección de vista plana en SAP2000

Si se da clic en las flechas azules con dirección superior e inferior que aparecen en la figura 3.7, se podrá desplazar por el modelo 3D del lado izquierdo y del lado derecho visualizar el correspondiente eje plano con vista de ejes XZ, ver figura 3.8.

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Figura 3.8. Visualización de eje en el plano X-Z (derecha) de acuerdo al modelo 3D (izquierda)

Retomando la asignación, usando el comando Quick Draw Frame/Cable/Tendon ubicado en Menú Draw, ó, en la barra de íconos de la izquierda de SAP-2000, como se aprecia en la figura 3.9.

Figura 3.9. Ícono para dibujar elementos barra-cable-tensor

Haciendo clic izquierdo sobre los ejes se van generando las barras que componen el modelo (figura 3.10).

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Figura 3.10. Dibujo – creación de elementos barra

Es cansado generar barra por barra, así que puede ser utilizado un comando del menú Edit: Replicate, con el cual únicamente se tienen que definir las barras de un eje y se repetirán en el resto de los ejes, para esto se debe definir los incrementos en distancia en una dirección, en este caso la Y.

Se seleccionaron todos los elementos generados en el Eje X, se da clic en Edit – Replicate y se define el incremento de -11(ancho de crujía), el valor es negativo por qué se generaran las barras en el Eje Y pero en sentido contrario, como en la figura 3.11, (revisar ejes globales en el vértice de la estructura).

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Figura 3.11. Replicación de elementos barra entre los ejes

El procedimiento anterior se repite hasta generar todas las columnas, así mismo aplica para las vigas, sin embargo, estas deben definirse en las dos direcciones, en X y en Y, y el modelo debe terminar de la siguiente manera (ver figura 3.12):

Figura 3.12. Modelo con barras totales generadas (vigas y columnas)

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3.1.3 Definir Apoyos Para especificar los tipos de apoyo o condiciones de frontera de la elástica de la estructura primero se seleccionan aquellos nodos que tengan las mismas restricciones de desplazamiento, esto se hace con algunas de las opciones aplicables del menú Select y después seleccionar Restraints de la opción Joint del menú Assign (Figura 2.22), desplegándose la ventana que se muestra en la figura 3.13.

Figura 3.13. Nodos seleccionados y menú para asignación de apoyos

Al dar clic en Restraints se abre la siguiente ventana (figura 3.14), en la cual se indica el tipo de restricción que tendrán los nodos seleccionados, en el presente modelo se hizo clic en los seis recuadros, que significa que se restringen los seis grados de libertad de cada nodo: tres para traslación y tres para rotación, por tratarse de empotramientos en la base de las columnas de planta baja.

Figura 3.14. Tipos de Apoyos

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Al dar clic en OK se generan los apoyos o restricciones en los nodos seleccionados como se muestra a continuación (figura 3.15):

Figura 3.15. Modelo con barras y apoyos empotrados en la base

Antes de continuar con el siguiente punto, se repetirá la generación de la geometría, elementos y apoyos de la otra manera que permite SAP-2000, para ello habrá que regresar al Menú File – New Model, y en la ventana que surge seleccionar Initialize Model from Default with Units y por último la plantilla 3D Frames (Marcos Espaciales o 3D). Al dar click en ésta, aparece la siguiente ventana (ver figura 3.16), en la cual se declarará la misma geometría y se incluirán los apoyos empotrados como se muestra enseguida:

Figura 3.16. Opciones para creación de geometría a base de Marcos Espaciales o 3D

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Para finalizar se da clic en OK y se obtiene el mismo modelo de la figura 3.15, con sus elementos vigas y columnas y sus apoyos (ver figura 3.17).

Figura 3.17. Geometría, elementos y apoyos idénticos al modelo de la figura 3.15

3.1.4 Definir Diafragmas Rígidos

El sistema de piso de una edificación debe ser capaz de transmitir las fuerzas sísmicas actuantes en el piso a los elementos o sistemas sismorresistentes, comúnmente marcos o muros estructurales. Cuando se logra este objetivo, se dice que existe la “acción de diafragma” o de “diafragma rígido”. La hipótesis de diafragma rígido es esencial en el análisis y diseño sísmico de edificios, y su empleo permite simplificar de manera considerable el proceso del análisis y de diseño sísmico de edificaciones.

Debe preferirse edificaciones con diafragma rígido y continuo, es decir, edificaciones en los que las losas de piso, el techo y la cimentación, actúen como elementos que integran a los muros estructurales y compatibilicen sus desplazamientos laterales.

Para rigidizar los planos horizontales existen varias opciones. La más sencilla para el usuario de SAP-2000 es definir una losa (que como se sabe es bastante rígida en su plano) y modelarla su

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comportamiento como diafragma rígido, para esto hay que seleccionar todos los elementos que definen el diafragma o cada nivel de entrepiso y dirigirse al menú Assign – Joint y dar click en Constraints, a lo cual aparece la siguiente ventana (figura 3.18):

Figura 3.18. Selección de elementos y asignación de Diafragma Rígido

a)

b) Figura 3.19. Ventanas para asignación de Diafragma Rígido

En la figura 3.19a, en la pestaña Choose Constraint Type to Add, se selecciona la opción Diaphragm posteriormente se da clic en Add New Constraint y se define sobre que eje trabajará el

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diafragma y definido esto, se podrá visualizar a la izquierda de la ventana en la figura 3.19b, y se finaliza con clic en OK.

El proceso anterior se repite para el número total de niveles del modelo.

3.1.5. Definición de los materiales

En el menú Define - Materials se podrán especificar las propiedades de los materiales del cual estarán formados los elementos estructurales, en este menú se pueden especificar materiales tales como concreto, acero, acero forjado en frio, aluminio, madera, etc. Al dar clic en Materials se muestra la ventana de la figura 3.20.

Figura 3.20. Menú para definir Material a emplear en el modelo de SAP2000

La ventana Define Materials nos da la opción de agregar automáticamente un nuevo material de acuerdo a especificaciones de Normas Internacionales, además permite agregar manualmente un nuevo material, al dar clic en Add New Material se puede apreciar la siguiente ventana (figura 3.21):

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Figura 3.21. Opciones para creación de un nuevo material y sus propiedades mecánicas

En la ventana Material Property Data, se puede asignar un nombre al material, escoger si será acero, concreto, aluminio, etc; las unidades en que serán incorporadas sus propiedades mecánicas e isotrópicas.

Como son su peso por unidad de volumen, el módulo de elasticidad, radio de

Poisson, coeficiente de expansión térmica y el módulo de cortante, así mismo, el esfuerzo de fluencia mínimo, el esfuerzo mínimo a la falla, y los esfuerzos efectivos a fluencia y a la falla.

A su vez en la ventana de la figura 3.20, se puede seleccionar un material de la izquierda y modificarse, a lo cual aparecerá la misma ventana de Material Property Data, y existe la opción de copiar Materiales definidos, si existiera necesidad de solo modificar el Fy ó el f´c del acero y concreto respectivamente sin necesidad de volver a declarar la totalidad de sus parámetros.

De acuerdo a la figura 3.21, se empleará como material al Acero con un esfuerzo de fluencia Fy = 3515 kg/cm2 (corresponde al Acero A50).

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3.1.6. Definición de las propiedades geométricas de los Elementos

En el menú Define, consecutivamente a la opción Materials, está la pestaña Section Properties, (ver figura 3.22). y al desplazarse en ella, se accede a la opción: Frame Sections donde se da clic izquierdo.

Figura 3.22. Menú Definir – Propiedades de Sección

Al dar clic en Frame Sections aparece la ventana de Frame Properties (figura 3.23), en la cual tenemos las opciones de importar secciones transversales de alguna base de datos como podría ser por ejemplo las del Manual de AISC (American Institute of Steel Construction), o bien, pueden ser creadas por el usuario, para incorporar por ejemplo perfiles del Manual IMCA (Instituto Mexicano de la Construcción en Acero), lo anterior para el caso de utilizar perfiles en acero, sin embargo es primordial esta opción para crear secciones transversales de Concreto Reforzado.

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Figura 3.23. Ventana de secciones transversales y opciones

Por ejemplo, para agregar una sección de Concreto Reforzado, se da clic izquierdo en Add New Property y aparece la ventana Add Frame Section Property (figura 3.24).

Figura 3.24. Ventana para selección de tipo de material y tipo de sección transversal

En la pestaña superior derecha se selecciona el tipo de material de la sección, en éste caso Concreto y aparecen los tipos de secciones a crear para dicho material. Se da clic en Rectangular, la cual sería la opción para crear secciones de Vigas y Columnas, con lo anterior se presenta la siguiente ventana (figura 3.25):

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Figura 3.25. Definición de propiedades de sección transversal de Concreto

En la ventana Rectangular Section se puede asignar un nombre a la sección a crear, el tipo de material de la cual está compuesta, las dimensiones de ancho de base y altura total, y al declarar éstas, automáticamente el programa calcula las propiedades de la sección (área de la sección gruesa, constante de torsión, momento de inercia sobre ejes 2 y 3, el área de cortante en ambas direcciones, los módulos de sección, los módulos plásticos y los radios de giro) como se muestra en la figura 3.26.

Figura 3.26. Propiedades físicas y mecánicas de la sección definida previamente

Al final de la ventana Rectangular Section (figura 3.25) se tiene la opción Concrete Reinforcement, la cual abre la ventana Reinforcement Data (figura 3.27), y permite configurar el material para el

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acero longitudinal y transversal, definir si se trata de una columna o viga para cuestiones de diseño, los tamaños de las barras longitudinales y transversales y el recubrimiento de la sección, entre otros parámetros. Esta opción es básica si se pretende obtener el diseño estructural del modelo y no únicamente su análisis estructural.

Figura 3.27. Definición de propiedades de acero longitudinal y transversal para diseño estructural

En el presente Manual, se importará un listado de secciones del AISC por lo qué en la figura 3.23, se da clic izquierdo en Import New Property, y se selecciona el material Acero y se buscan perfiles I/Wide Flange (IR en la nomenclatura del Manual IMCA), lo cual arroja la siguiente ventana (figura 3.28), en la cual habrá que seleccionar el archivo deseado, en este caso el AISC.pro

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Figura 3.28. Selección de biblioteca de perfiles de acero

Posteriormente, SAP-2000 muestra la siguiente ventana (figura 3.29), en la cual se seleccionarán los perfiles W en su totalidad y de los cuales se escogerán los adecuados para la estructura que se está modelando.

Figura 3.29. Selección de perfiles de acero de la biblioteca de AISC

La definición de secciones transversales y sus propiedades se completa satisfactoriamente si en la ventana de la figura 3.30, se ubican en el extremo izquierdo el listado de perfiles W seleccionados (ver figura 3.29).

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Figura 3.30. Listado de secciones transversales definidas o disponibles para su asignación a elementos barra en SAP2000

Una vez definidas las distintas secciones de los diversos elementos estructurales habrá que indicar la sección transversal que corresponda al o a los elementos estructurales (la forma de la estructura ya se ha generado), primero se seleccionan los elementos que tiene una misma sección transversal, para ello se puede utilizar algún método de selección de la opción Select del menú con el mismo nombre o bien manualmente seleccionar las barras, enseguida seleccionar Frame Sections de la opción Frame en el menú Assign, con lo que parece la ventana que se muestra en la figura 3.31.

Figura 3.31. Barras seleccionadas y la asignación de su respectiva sección transversal

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Posteriormente aparece la ventana de la figura 3.23, y se selecciona el nombre de la sección deseada, esto basado en un prediseño o bien a criterio por el usuario, y se da clic en OK, con lo cual se asignaron a los elementos seleccionados las características especificadas en la sección transversal seleccionada. La operación anterior se repetirá tantas veces como sea necesario para asignar secciones a todos los elementos que componen al modelo.

Al finalizar se debe visualizar la estructura de la siguiente manera (figura 3.32):

Figura 3.32. Modelo estructural con secciones transversales asignadas

3.1.7 Definición y Asignación de las Cargas Externas

Una de las tareas iniciales para el usuario es la de establecer las solicitaciones o acciones (cargas) que afectan la estructura ocasionando en ella efectos significativos.

El Reglamento de

Construcciones del Distrito Federal clasifica las acciones como Permanentes (Carga Muerta), las cuales son constantes en la estructura y su intensidad es no variante con respecto al tiempo, como el peso propio de los elementos. Las acciones Variables (Carga Viva), actúan sobre la estructura con una intensidad variable con respecto al tiempo, como las personas, mobiliario y equipo, y por último las acciones Accidentales (Sismo, Viento, Oleaje), las cuales no se deben al funcionamiento

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normal de la estructura pero si toman valores muy significativos durante breves periodos en la vida útil de la estructura.

Para introducir diversos tipos de fuerza estática (acciones) al modelo, primero habrá que definir condiciones de carga estática, para ello se selecciona la opción Load Patterns o bien, Load Cases del menú Define, la cual muestra la siguiente ventana, en la cual se declaran los patrones de carga, teniendo automáticamente declarada la Carga Muerta (DEAD), con un multiplicador de 1 siempre en la casilla de Self Weight Multiplier, y se da clic en Add New Load Pattern, y se repite lo mismo para la Carga Viva (LIVE), salvo por llevar un factor de 0 en Self Weight Multiplier, y la ventana final queda de la siguiente manera (figura 3.33).

Figura 3.33. Ventana para definición de patrones de carga

Quedando definidos los casos de Carga Muerta y Carga Viva, y teniendo de antemano los respectivos análisis de cargas gravitacionales para losas de entrepiso y losa de azotea, en los cuales la Carga Viva se tomará como Máxima e Instantánea para el tipo de estructura y uso, como lo establece el Reglamento de Construcciones del Distrito Federal (2004), se cargan los elementos con las cargas calculadas como uniformemente distribuidas.

Para esto se seleccionan los elementos a los cuales se les aplicará las cargas, en el presente caso serán las vigas y en el menú Assign – Frame Loads, se da clic en Distributed, como se muestra en la figura 3.34.

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Figura 3.34. Elementos Viga seleccionados y menú para asignación de cargas distribuidas

Al hacer clic izquierdo sobre la opción Distributed, aparece la siguiente ventana: Frame Distributed Loads (ver figura 3.35), en la cual se definirá el tipo de carga (Muerta=Dead ó Viva=Live), las unidades en las cuales será declarada, el tipo (fuerzas o momentos), en que sistema de coordenadas serán declaradas (recomendable Global), la dirección, la cual casi siempre es gravitacional (Gravity), y puede declararse la carga de manera trapezoidal, sin embargo la declararemos uniforme y se da el valor en las unidades correspondientes y se finaliza con clic en OK, con lo cual las cargas habrán sido incorporadas al modelo y podrán ser visualizadas por el usuario (ver figura 3.36).

Figura 3.35. Definición de Carga Muerta distribuida para elemento estructural

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Figura 3.36. Cargas asignadas a la estructura

El procedimiento anterior se repite para cada caso de carga declarado anteriormente (DEAD, LIVE, QUAKE, WIND, etc).

3.1.8 Definición de Combinaciones de Cargas

La combinación de cargas se debe entender como el efecto conjunto de las mismas actuando a un tiempo en una estructura cuya seguridad deberá revisarse para esta condición.

Los reglamentos de Diseño especifican que debe revisarse la seguridad de una estructura para el efecto combinado de todas las acciones que tengan una probabilidad no despreciable de ocurrir simultáneamente.

Para definir las combinaciones de cargas en SAP-2000, hay que situarse en el menú Define – Load Combinations, cuya opción arroja la siguiente ventana de la figura 3.37:

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Figura 3.37. Ventana con opciones para definición de combinaciones de carga

Basta dar clic izquierdo en Add New Combo para editar una combinación de carga al modelo estructural, para lo cual se presenta la ventana Load Combination Data, en la que se edita el nombre de la combinación de carga, el tipo, y se incluyen los casos de carga a combinarse con sus respectivos factores de escala. En la figura 3.38, se añade una combinación de carga: 1.4(Carga Muerta + Carga Viva), se da clic en OK y la combinación fue declarada con éxito. En esta misma ventana se pueden declarar el número deseado de combinaciones.

Figura 3.38. Ventana en la cual se definen las cargas y sus factores que intervienen en cada combinación de carga

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Una vez que se han definido combinaciones se puede modificar sus características con la opción Modify/Show Combo de la figura 3.37, o bien eliminar alguna combinación con la opción Delete Combo.

3.1.9 Elección del Tipo de Análisis

Ya especificada la geometría de la estructura, sus elementos y las propiedades de los materiales que los componen, los apoyos, diafragmas, las cargas y sus respectivas combinaciones, se está en posibilidad de que SAP-2000 ejecute el Análisis Estructural del modelo.

Para efectuar el análisis, hay que especificar ciertos parámetros, para ello en el menú Analyze – Set Analysis Options, al dar clic izquierdo en este último, el programa muestra la siguiente ventana (figura 3.39), en la cual se definen los Grados de Libertad permitidos en el modelo, o bien, efectuar el análisis con los Grados de Libertad correspondientes a un Marco Espacial o 3D, un Marco 2D en el plano XZ, Análisis en el plano XY, o una Armadura, es decir sin torsión.

Figura 3.39. Opciones de grados de libertad para el Análisis Estructural

En el presente modelo se definen los Grados de Libertad para un Marco 3D y se da clic en OK. Posteriormente en el mismo menú Analyze, en la opción Set Load Cases to Run, se van a definir qué casos de carga serán tomados en cuenta por SAP-2000 durante el análisis y muestra la siguiente ventana (figura 3.40).

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Figura 3.40. Listado de Casos de Carga a ser ejecutados durante el Análisis Estructural

La figura 3.40, muestra tres casos de carga, DEAD (Muerta), MODAL, y LIVE (Viva), y su característica (lineal en el presente caso). Cabe notar que se ha seleccionado el caso tipo Modal y se ha dado clic en Run/Do Not Run Case, con lo cual no será tomado en cuenta por SAP-2000 al efectuar el análisis.

La razón es que un Análisis Modal involucra aspectos de la Dinámica

Estructural y es una base para Análisis Sísmicos, los cuales presentan un mayor grado de complejidad y no abarcan los alcances de este Manual y el presente Curso.

Para efectuar el análisis en la misma ventana de la figura 3.40, se da clic en Run Now y el análisis dará inicio.

Durante el análisis si es requerido se muestra una ventana que marca el avance del mismo (ver figura 3.41), y éste finaliza cuando se despliega el mensaje: ANALYSIS COMPLETE (Análisis Completo).

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Figura 3.41. Ventana que muestra el avance y el término del Análisis Estructural en SAP2000

Cuando un modelo es analizado en el programa SAP-2000, al finalizar, éste se bloquea y no permite modificaciones, únicamente se permiten cambiar las vistas, gráficos y pedir resultados del mismo.

Para corroborar esto, en los íconos superiores del programa se aprecia el ícono

(Lock/Unlock Model) de un candado cerrado (figura 3.24).

Figura 3.24. Ícono que comprueba que la estructura fue analizada

Para volver a manipular el modelo basta dar clic sobre el ícono del candado (Unlock Model) y se liberará el modelo.

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INTERPRETACIÓN DE LOS RESULTADOS DEL ANÁLISIS

CAPÍTULO IV

De acuerdo al capítulo anterior, el Análisis del modelo estructural fue ejecutado sin errores durante el mismo, de lo contrario el mensaje Analysis Complete de la figura 3.41, no sería desplegado. Ahora bien, es posible visualizar los resultados tanto de manera gráfica como numérica mediante tablas, donde el menú Display centrará la atención del usuario, ya que le permitirá manipular cuanto resultado desee, (ver figura 2.24).

4.1 ESTRUCTURA DEFORMADA

La deformada de una estructura tiene como objeto permitirle al usuario entender el comportamiento del modelo estructural ante las solicitaciones asignadas, o bien, corroborar sus suposiciones acerca de ese comportamiento.

La deformada de la estructura se muestra en la mayoría de los casos automáticamente al terminar el Análisis del modelo en SAP-2000. Sin embargo, si esta no se muestra de manera instantánea, en el menú Display se oprime clic izquierdo sobre Show Deformed Shape, o bien se oprime la tecla F6 del teclado en el equipo de cómputo, así mismo es posible accesar a la vista deformada mediante el ícono superior como se muestra en la figura 4.1.

Figura 4.1. Ícono para visualizar la deformada de la estructura posterior al análisis

Al seleccionar la opción Show Deformed Shape el programa despliega la siguiente ventana (figura 4.2), en la cual se muestra el caso de Carga o Combinación para la cual se mostrará la Deformada, así mismo la escala visual la cual está predeterminada como automática y un par de opciones visuales: al palomear la casilla de Wire Shadow el programa muestra la cuadrícula o Grid de manera tenue para tener un patrón con el cual interpretar las deformaciones de los elementos y de

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la estructura globalmente. La opción Cubic Curve como su nombre lo dice, curvea las barras deformadas y no las muestra deformadas de manera recta.

Figura 4.2. Selección de caso o combinación de carga que causa la deformada de la estructura analizada

Al dar clic se tiene la Deformada del modelo debido a Cargas Vivas (ver figura 4.3).

Figura 4.3. Deformada de la estructura debido al caso de Carga Viva

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SAP-2000 tiene una opción de mostrar de manera animada la deformación de la estructura, para esto basta dar clic sobre la opción Start Animation localizada en la esquina inferior derecha de la ventana principal del programa:

Las deformaciones de la estructura durante la animación pueden resultar drásticamente elevadas, pero es sólo un efecto por una escala automática del programa, la cual puede ser modificada en la ventana de la figura 4.2.

Si al usuario le interesa dar una presentación de su modelo estructural, puede grabar en video la animación de la Deformada, dando clic en Create Video del menú File.

Si en la vista deformada de la estructura se sitúa el cursor del mouse en algún nodo de la estructura, se despliega automáticamente los desplazamientos y rotaciones del mismo, los cuales están referidos al sistema de Coordenadas Globales en las unidades establecidas al inicio de la modelación, de igual manera dando clic derecho sobre cualquier nodo, el programa muestra una pequeña tabla con la información arriba enumerada (ver figura 4.4).

Figura 4.4. Información de desplazamientos y rotaciones de un nodo posterior al análisis del modelo

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4.2 DIAGRAMAS DE ELEMENTOS MECÁNICOS

El programa SAP-2000 permite visualizar los diagramas de elementos mecánicos (Axial-CortanteMomento), en los ejes correspondientes para cada elemento estructural y para determinada condición de carga o combinación de cargas.

Para visualizar lo anterior, basta dar clic en Show Forces/Stresses del menú Display, y en el cual se selecciona Frames/Cables, ó bien, dar clic sobre el siguiente ícono:

Al dar clic en los elementos Frames/Cables, se muestra la siguiente ventana (figura 4.5): Member Force Diagram for Frames, en la cual se selecciona el caso de carga o combinación de la cual se mostrarán los diagramas de elementos mecánicos, y escoger cuál de ellos queremos visualizar (Fuerza Axial, Cortante 2-2, Cortante 3-3, Torsión, Momentos Flexionantes 2-2 y Momentos Flexionantes 3-3). La opción de escalas es idéntica a la de la ventana de la Deformada estructural, y por último las opciones de visualizar los diagramas rellenos de cierto color, o mostrar los valores de los diagramas en pantalla (ver figuras 4.6 y 4.7), se finaliza con un clic en OK.

Figura 4.5. Definición de caso de carga o combinación y tipo de elemento mecánico a ser mostrado

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Figura 4.6. Diagramas de Fuerzas Cortantes

Figura 4.7. Diagramas de Momentos Flexionantes

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De manera idéntica a la manera de visualizar los desplazamientos y rotaciones en la vista deformada de la estructura, si colocamos el cursor del mouse sobre alguna barra automáticamente el programa mostrará el valor del elemento mecánico en ese punto exacto (ver figura 4.8).

Figura 4.8. Visualización de valor del cortante en un punto del elemento Viga

Si en la vista del diagrama de elementos mecánicos seleccionado se da clic derecho sobre alguna barra, se presenta una ventana mostrando la información detallada de las fuerzas actuantes en esa barra, como se muestra en la figura 4.9, en la que se define el caso de carga o combinación a mostrar, las coordenadas de los nodos del extremo i, y j de la barra, y en este caso, la opción Scroll for Values, en la cual si el usuario se sitúa sobre algún diagrama y da clic sobre él y no deja de hacerlo, y además se traslada de izquierda a derecha o viceversa, podrá ir visualizando a su derecha los valores de las fuerzas en cada punto del diagrama.

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Figura 4.9. Información de Elementos Mecánicos dada cierta combinación de carga para elemento estructural dentro de SAP2000

Caso contrario, si para la misma barra y misma condición de carga se quieren ver únicamente los máximos de fuerzas en cada diagrama, se da clic en Show Max de Display Options y automáticamente el programa arroja los valores máximos correspondientes (figura 4.10).

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Figura 4.10. Diagramas de Elementos Mecánicos Máximos para elemento estructural

Pero no solamente los valores de los elementos mecánicos pueden ser visualizados en pantalla, ya que como se mostró en la figura 2.44 del Capítulo 2, los resultados pueden ser mostrados en Tablas, para lo cual en el menú Display habrá que dar clic izquierdo en Show Tables, a lo cual se desplegará la siguiente ventana (figura 4.11), en la cual se seleccionará lo que se desea visualizar en las mismas tablas.

Figura 4.11. Selección de resultados dado ciertos estados de carga para ser mostrados en tablas

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En la figura 4.11 se dio clic en Analysis Results – Element Output – Frame Output – Table: Element Forces – Frames, posteriormente en el extremo derecho de la ventana se hace clic en Select Load Cases y se selecciona el caso de carga o combinación de carga de interés, y se finaliza dando clic en OK, a lo cual el programa mostrará la siguiente ventana (figura 4.12), que puede ser exportada a Microsoft Excel.

Figura 4.12. Tablas de Elementos Mecánicos para algunas barras del Modelo Estructural

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INTRODUCCIÓN AL DISEÑO ESTRUCTURAL

CAPÍTULO

CON SAP-2000

V

Una vez realizado el Análisis Estructural al modelo, automáticamente se activan las opciones del menú Design, con lo cual se podrá diseñar únicamente en el material con el que fue modelada la estructura.

5.1 DISEÑO DE ELEMENTOS DE CONCRETO Para efectuar el Diseño de Elementos de Concreto, se deberá realizar un modelado idéntico al del Capítulo 3, excepto que al momento de definir el tipo de Material a emplear se deberá establecer Concreto (ver figura 3.20), y dar de alta las propiedades del mismo, por ejemplo su esfuerzo a compresión, f’c.

Además, se les asignará ese material a los elementos estructurales y se definirán las características del refuerzo longitudinal y transversal (ver inciso 3.1.5 del Capítulo 3).

En la ventana de la figura 3.27, se especifica el tipo de diseño, dependiendo el tipo de elemento estructural (viga ó columna). Para las Vigas el diseño será por Flexión y Cortante; en el caso de las Columnas su diseño será por Flexocompresión y Cortante.

Habiendo modelado y analizado la estructura, se procede a efectuar el Diseño de la totalidad de sus elementos estructurales. Para ello en el menú Design – Concrete Frame Design, se da clic izquierdo en View/Revise Preferences como se muestra en la figura 5.1.

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Figura 5.1. Selección del tipo de Diseño Estructural a ejecutar

A lo cual el programa despliega la siguiente ventana (figura 5.2), en la cual se selecciona el Código de Diseño deseado, puede ser desde el Código Americano (ACI), pasando por el Código Mexicano (RCDF), hasta el Eurocódigo, Códigos Chinos, Italianos, Hindúes, Canadienses, NeoZelandeses, etc.

Figura 5.2. Definición de Código de Diseño Estructural y sus parámetros a utilizar

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Al seleccionar un Código de Diseño, automáticamente SAP-2000 despliega sus características y en general los factores de flexión, tensión, compresión, cortante para el diseño de elementos.

La siguiente opción activa en el menú Design – Concrete Frame Design, es Select Design Combos, en la cual será necesario seleccionar de la lista de combinaciones, las que serán utilizadas en el Diseño Estructural, (ver figura 5.3).

Figura 5.3. Listado de Combinaciones de Carga a considerar durante el Diseño Estructural

Ya definido el Código de Diseño a emplear y las combinaciones de carga que intervendrán en el proceso de Diseño, la siguiente opción activa del menú Design – Concrete Frame Design, es Start Design/Check of Structure, con lo cual se ejecuta el diseño del modelo y conforme éste se realiza se van iluminando una por una las barras que componen el modelo como proceso de revisión y diseño de cada viga y columna.

Al finalizar el Diseño, el programa SAP-2000 muestra al modelo de la siguiente manera (figura 5.4), en la cual se aprecian las áreas de refuerzo longitudinal para vigas y columnas.

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Figura 5.4. Modelo Diseñado por SAP2000 y sus áreas de acero en cada elemento estructural

Para revisar el diseño en el mismo menú Design– Concrete Frame Design, dar clic en Verify all Members Passed, opción que automáticamente arroja un mensaje (ver figura 5.5), indicando si todos los elementos pasan por capacidad o bien cuántos de ellos no pasan y por qué motivo.

Figura 5.5. Ventana en la cual se certifica o no, si el 100% de los miembros fueron diseñados exitosamente en SAP2000

Para visualizar los resultados de diseño de cada elemento se da clic derecho sobre ellos en el modelo en SAP-2000, al hacer esto, el programa arroja la siguiente ventana (figura 5.6), en la cual se selecciona una combinación de carga y si se hace clic en el icono Summary, se podrán apreciar

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con detalle, la revisión por flexión y cortante, ver figura 5.7. Lo anterior aplica para vigas, e igual para columnas, salvo por el hecho de que el diseño es por Flexocompresión y despliega el Diagrama de Interacción de la columna seleccionada como se muestra en la figura 5.8.

Figura 5.6. Ventana con opciones para despliegue de los resultados de Diseño

Figura 5.7. Ventana con resultados de Diseño por Flexión y Cortante para una Viga

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Figura 5.8. Ventana que muestra el Diagrama de Interacción para una Columna de Concreto

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5.2 DISEÑO DE ELEMENTOS DE ACERO

Retomando el modelo en Acero del Capítulo 3 y 4, se procede a realizar su Diseño Estructural, para lo cual procediendo al Análisis Estructural del mismo y siguiendo de la misma manera el proceso empleado en el Diseño en Concreto, el usuario debe situarse en el menú Design – Steel Frame Design, y dar clic en View/Revise Preferences, en dicha opción se deberá definir el Código de Diseño en Acero a emplear, en el caso del modelo de estudio se eligió la Norma AISC-LRFD99, (ver figura 5.9).

Figura 5.9. Selección de Código AISC/LRFD para el Diseño por Acero del modelo del Capítulo 3

Posteriormente y de igual manera que para el Diseño en Concreto, se seleccionan las combinaciones o casos de carga a considerar en el diseño y se finaliza dando clic en Start Design/Check of Structure. Una vez finalizado el Diseño, el programa muestra al modelo como se aprecia en la figura 5.10.

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Figura 5.10. Estructura del Capítulo 3 diseñada exitosamente según Norma AISC/LRFD

Para revisar el diseño en el mismo menú Design – Steel Frame Design, dar clic en Verify all Members Passed, opción que confirma que el diseño fue exitoso, y lo muestra la figura 5.11.

Figura 5.11. Ventana en la cual se certifica o no, si el 100% de los miembros fueron diseñados en Acero exitosamente en SAP2000

Cabe recalcar que tanto para el Diseño en Concreto como en Acero, el procedimiento de Diseño incluye una etapa previa de prediseño, en la cual se proponen secciones y si estás no satisfacen las condiciones de resistencia y distorsiones laterales, se deben modificar, lo que hace al proceso de Diseño de una manera iterativa hasta lograr el punto óptimo de desempeño estructural.

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DISCUSIÓN FINAL

CAPÍTULO VI

Hemos finalizado este breve Manual de Usuario del programa SAP-2000 en su versión 15.0. Se enfatiza en el adjetivo ‘breve’, puesto que es sumamente complicado abarcar en su totalidad las capacidades asombrosas de este programa de cómputo, además, este curso está orientado al nivel Básico de operación. No obstante, el autor de este Manual considera que este manuscrito sirva al usuario de manera clara, sencilla y rápida y mejor aún, lo motive a seguir explorando este programa de Cómputo, y continuar con su actualización profesional asistiendo a cursos de niveles superiores del programa, que seguramente la División de Educación Continua y a Distancia de la Facultad de Ingeniería de la UNAM habrá de coordinar en un futuro próximo.

Por otra parte, no se puede dejar de enfatizar que la clave del éxito en el manejo de una herramienta de análisis y diseño tan sofisticada como SAP-2000, consiste en el profundo conocimiento de los conceptos básicos de la Resistencia de Materiales, Análisis Estructural, Diseño Estructural, Mecánica de Suelos, y hasta criterios básicos de Construcción y Arquitectura. Hay que entender perfectamente lo que vamos a modelar, y siempre partir de una base firme y bien delimitada como son los planos arquitectónicos y estructurales. Y por supuesto, saber de qué material será la construcción, el uso que se le dará, para el cálculo de las cargas actuantes y donde serán concentradas, esto con el fin de comprobar si las deformaciones que nos arroja el programa son consistentes con la realidad esperada. Un punto importante durante todo el proceso de modelado: Cuidar las unidades empleadas y los ejes globales o locales para declarar cargas o interpretar resultados.

Por último y no menos importante, es siempre estar de la mano de los Códigos de Análisis y Diseño actualizados para el lugar de desplante de la estructura a modelar en SAP-2000. En el Distrito Federal debemos por Ley cumplir con las disposiciones que nos marca el Reglamento de Construcciones para el Distrito Federal y sus Normas Técnicas Complementarias, o bien, en el caso del Diseño por Concreto y Acero, revisar que exista consistencia entre los parámetros a definir en SAP-2000 y lo que dicta el Reglamento ACI y AISC respectivamente.

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REFERENCIAS

CAPÍTULO VII

CSI Computers and Structures, Inc, “Introductory Tutorial for SAP2000”, Version 15, Berkeley, California, USA, 2009.

Monroy Miranda, Fernando, “Instructivo básico para la utilización del programa de computadora SAP 2000”, División de Ingeniería Civil y Geomática, UNAM, 2006.

Así mismo, el autor agradece la revisión y las aportaciones realizadas para el presente manuscrito al Dr. Eduardo Ismael Hernández (Instituto de Ingeniería, UNAM).

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Manual SAP2000

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