INGENIERÍA SISMORESISTENTE Mg. Ing. Rolando Cisneros Ayala
MATRIZ DE RIGIDEZ: LATERAL Y EN COORDENADAS DE PISO Uno de los modelos más utilizados para el análisis sísmico espacial de edificios es el considerar tres grados de libertad por planta, que implica suponer que la losa es completamente rígida en su plano. Realmente se trata de un pseudo análisis espacial ya que se trabaja con pórticos planos unidos por una losa rígida pero es muy utilizado en el mundo.
Matriz de rigidez lateral: Se define matriz de rigidez lateral, KL a la matriz de rigidez asociada a las coordenadas laterales de piso. ¿Como se calcula la matriz de rigidez lateral?
Coordenadas generalizadas
Se calcula mediante la condensación estática
Coordenadas laterales
Existen tres formas de encontrar la matriz de rigidez condensada: la primera involucra la inversión de una matriz. la segunda implica la solución de un conjunto de ecuaciones lineales y la tercera, que es la más se utiliza, mediante la eliminación de Gauss. Cálculo de matriz de rigidez lateral mediante la condensación estática En el sistema de coordenadas de una estructura, se puede diferenciar un grupo de coordenadas a las que se denomina ``coordenadas a'', que en el ejemplo siguiente es la uno y las restantes, a las que se denomina "coordenadas b''.
Coordenadas generalizadas
la ecuación básica de análisis estático
Coordenadas laterales
Al reemplazar Q y q y al trabajar con submatrices, la matriz de rigidez de la estructura, también estará particionada, de la siguiente forma:
La condensación estática de la matriz de rigidez se da cuando Qa o Qb son ceros.
Este caso se presenta cuando el vector Qb=0.
luego:
Sea KL la matriz de rigidez condensada a las coordenadas "a".
EJEMPLO 1 : Encontrar la matriz de rigidez lateral de la estructura indicada en la figura siguiente, considerando nudos rígidos. Todos los elementos son de 30/30. Se consideran los valores de: E=2100000 T/m2 y G=840000 T/m2.
2 1
3
Cálculo de matriz de rigidez de la estructura: En primer lugar se calcula matriz de rigidez de la estructura y luego la matriz de rigidez lateral
Matriz de rigidez del elemento viga:
Coordenadas locales para un elemento axialmente rígido y con dos sectores de rigidez
Matriz de rigidez del elemento columna
Sistema de coordenadas locales para un elemento vertical, totalmente flexible y con dos sectores de rigidez infinita.
Cálculo de matriz de la viga:
Al reemplazar c1 = c2 = 0.15 y los restantes datos indicados se obtiene:
Cálculo de matriz de la columna: Matriz de rigidez de la columna 1 y 3:
Ensamblaje de la matriz de rigidez
2 1
3
Matriz de elemento 1 0 0 0
1
2
3 0 0 0 1 2 3
Matriz de elemento 2 2
3
4
5 2 3 4 5
Matriz de elemento 3 0
0
1
0
4
5 0
0 0 1 4 5
Matriz de la estructura: 1
2
3
4
5
Se calcula la matriz de rigidez de la estructura :
Cálculo de matriz de rigidez lateral:
La partición de la matriz K se realiza por la primera fila y primera columna, toda vez que existe una sola "coordenada a". Por lo tanto las submatrices, son:
Remplazando las matrices anteriores en la siguiente expresión:
𝐾𝐿 = 1485.772
Matriz de rigidez lateral sin muros de corte: Se presenta el cálculo de la matriz de rigidez lateral de un pórtico plano sin muros de corte, para un modelo numérico de cálculo en que todos los elementos del pórtico son axialmente rígidos, de tal manera que los grados de libertad son los desplazamientos horizontales, uno por cada piso y las rotaciones en cada una de las juntas.
Matriz de rigidez del elemento viga:
Matriz de rigidez del elemento columna:
EJEMPLO 2 : Para la siguiente figura las vigas son de 30/30 y las columnas de 30/40. Se desea encontrar la matriz de rigidez lateral, considerando que todos los elementos son axialmente rígidas. El módulo de elasticidad E = 2173706.5 T/m2 y no se considera nudos rígidos.
Coordenadas generalizadas
Matriz de rigidez
Coordenadas laterales
Identificación de las sub-matrices:
Matriz de rigidez lateral con muros de corte: En los muros de corte es fundamental considerar el efecto de corte 𝜙 y en las vigas que llegan a los muros de corte se debe considerar la condición de nudo rígido.
Coordenadas locales para las vigas
Coordenadas locales para las columnas
EJEMPLO 3 : En la figura presentada un pórtico plano con un muro de corte de 30 cm., de ancho por 4.0 m., de longitud. Las restantes columnas son de 60/60 y las vigas de 40/60. La primera cantidad es la base y la segunda la altura. Considerar E=1738965.21T/m2 1) Encontrar la matriz de rigidez de los elementos: columna, muro de corte y viga. 2) Hallar la matriz de rigidez lateral del pórtico indicado con inercias gruesas.
Numeración de nudos y elementos
base
Numeración de nudos y elementos
altura elemento
base
altura
Longitud
c1
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
𝐿 = 𝑙𝑜𝑛𝑔𝑖𝑡𝑢𝑑 − 𝑐1 − 𝑐2
c2
Las matrices de rigidez de los elementos son:
Incorporación de la mampostería:
Modelos para determinar el ancho equivalente:
Matriz de rigidez del elemento mampostería
Matriz de rigidez en coordenadas de piso: Se presenta el cálculo de la matriz de rigidez de una estructura en la cual se consideran tres grados de libertad por planta, orientado al análisis sísmico espacial de edificios considerando que los pisos son completamente rígidos. EL propósito es de que el lector aprenda a decidir una buena estructuración sísmica de un edificio de acuerdo a un determinado objetivo que puede ser, por ejemplo que la estructura tenga una gran rigidez torsional.
Hipótesis del modelo Se considera que cada pórtico plano es un elemento de la estructura cuyo sistema de coordenadas de miembro está conformado por las coordenadas laterales de cada uno de los pisos. En la figura anterior a la derecha se indica el sistema de coordenadas P - p de los elementos que tienen la siguiente forma y significado.
Matriz KE
La matriz A tiene NP filas y 3* NP columnas, donde NP es el número de pisos del pórtico para el caso más general.
EJEMPLO 4 : Encontrar la matriz de rigidez en coordenadas de piso para la estructura de cinco pisos indicada en la siguiente figura , por facilidad se considera que todos los pórticos son iguales.
Rigidez de Piso para el ejemplo
Parámetros que definen los pórticos para calcular matriz A
Se obtienen las matrices de compatibilidad de cada uno de los pórticos. Para el pórtico 1, se tiene:
Para los pórticos 2, 3 y 4 lo único que cambia es el valor de r de -6 que se tiene para el pórtico 1 a -2, 2 y 6, respectivamente. A continuación se indica la matriz de compatibilidad para el pórtico A.
De igual manera para los pórticos B, C, y D la matriz A se mantiene igual a la del pórtico A con la acotación de que cambian los valores de r por –2, 2 y 6 respectivamente. La matriz KL es la misma para todos los pórticos y es la que se muestra a continuación empleando la ecuación
Sub Matrices de KE Al efectuar el triple producto matricial de la ecuación siguiente, se obtiene que las submatrices son:
Estructuración Sísmica Estructuración Sísmica desde el punto de vista torsional
Por otra parte para los dos edificios el Centro de Masa se encuentra en su centro de gravedad. Por lo tanto la sub-matriz K𝜃𝜃 será mayor en el edificio de la derecha de la figura anterior ya que los pórticos exteriores tienen mayor rigidez lateral y K𝜃𝜃 es igual al producto de KL por la distancia al cuadrado, por 𝑟 2 .
En la figura anterior inmediato de la izquierda se aprecia que solo existe un pórtico en sentido X y que este pasa por el centro de masa en consecuencia no va aporta a K 𝜃𝜃 ya que su matriz r será nula para evitar esto se recomienda estructurar el edificio como se indica a la derecha de la figura anterior, donde se tienen dos líneas resistentes en los pórticos exteriores que no pasan por el centro de masa luego aportan a la submatriz K 𝜃𝜃 .
Estructuración Sísmica desde el punto de vista traslacional
Mala y buena desde el punto de vista traslacional
En realidad uno de los problemas más críticos en un edificio es el problema torsional pero a más de ello se debe tener especial cuidado en tener un equilibrio entre las submatrices Kxx y Kyy , equilibrio en el sentido de que las dos tengan valores similares. A la izquierda de la figura anterior se aprecia un edificio en el cual solo existen líneas resistentes en sentido Y, y no existen líneas resistentes en sentido X de tal forma que en sentido Y va a ser muy rígido se va a desplazar muy poco en ese sentido pero es muy flexible en sentido X y tendrá grandes desplazamientos en X.
Con los tres ejemplos que se han indicado en el presente apartado se pretende que el lector en la distribución de los elementos resistentes dentro de un edificio tenga en cuenta lo siguiente: Que la submatriz Kxx tenga valores similares a la submatriz Kyy . Que la submatriz K 𝜃𝜃 sea lo más grande posible. Que se distribuya en forma simétrica las líneas resistentes en los dos sentido en X, Y. Que las líneas resistentes de los pórticos exteriores sean mayores que las líneas resistentes de los pórticos interiores. Las submatrices 𝐾𝑋𝑌, 𝐾𝑋𝜃, 𝐾𝑌𝜃 deben ser nulas. En la medida que no lo sean se deberá tomar precauciones en el diseño para no tener problemas de torsión.
