Guia y Manual SAP2000 V14

REPUBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA

VALENCIA – EDO. CARABOBO

INTRODUCCION AL ANALISIS Y DISEÑO DE ESTRUCTURAS

EMPLEANDO EL SOFTWARE SAP2000 V14.1.0

(Guía y Manual General)

Preparado por: Ing. Víctor Román A.

Revisión Noviembre 2011


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INTRODUCCION AL ANALISIS Y DISEÑO DE ESTRUCTURAS

EMPLEANDO EL SOFTWARE SAP2000 V14.1.0

Indicé General

Item Contenido Pág.

1.- Introducción al Software Structural Analysis Program “SAP2000”. 3

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2.- Herramientas y formas para elaborar la geometría y editar diversos elementos

estructurales en el SAP2000. (11 ítem básicos) 5

3.-

Definición, asignación y edición de los materiales, secciones de elementos (vigas,

columnas y losas), restricciones de juntas, tipos de carga (permanente, variable,

viento, etc.) y combinaciones de cargas. (17 ítem básicos)

22

4.- Proceso de análisis estructural e interpretación de resultados para el diseño o

verificación del sistema estructural. (7 ítem básicos) 41

5.- Ejemplos de cálculo relativos a sistemas estructurales con elementos de concreto

armado y metálicos. (2 ítem básicos) 54


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1. Introducción al Software Structural Analysis Program “SAP200”.

Dentro de los Software diseñados por la empresa Computers and Structures, Inc denominado

“C.S.I” se encuentra el Structural Analysis Program “SAP2000”, software destinado al análisis lineal y

no lineal de estructuras estáticas o dinámicas en 2D y 3D.

Presentación Inicial del SAP2000 Versión 14.1.0

El software Sap2000 actualmente es uno de los programas de mayor auge en relación al cálculo

estructural; y aquí hay que hacer una pausa para entender lo que significa “calculo estructural”,

el provee luego de ejecutar una serie de análisis matemáticos, las relaciones de fuerzas, momentos

y esfuerzos bajo las solicitaciones definidas para el modelo estructural; esto es la base del

programa modelar y determinar los esfuerzos a los cuales está siendo solicitada dicha estructura.

Como complemento el presenta módulos para el diseño y verificación de los elementos tanto en

concreto armado como en acero estructural (cabe destacar que las últimas versiones incluye el

diseño con elementos de aluminio, elementos metálicos formados en frio y pre-esforzados) sin

embargo solo provee parámetros generales, en especial en el detallado de las juntas como tal,

para esto existen programas más específicos tales como el “Etabs” y “Frame”, de la misma familia

del Sap2000 diseñados por la Computers and Structures, Inc, que permiten detallar y analizar más

profundamente los elementos y sus conexiones de una manera más rápida y amigable, por lo cual

hay que tener en claro desde el principio que requerimos y que buscamos al utilizar estos software

para entender nuestro alcance y responsabilidad.


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Como todo programa el correcto uso de él y la utilización de los resultados arrojados por dicho

software es responsabilidad de usuario, por lo tanto en un área tan delicada y la cual requiere un

conocimiento completo de estructura, resistencia de materiales y hasta de dinámica, queda en la

responsabilidad del usuario la verificación de la salida de datos que arroja el SAP2000, hay que

recordar que el software es una simple herramienta que facilita el cálculo matemático, por lo cual

desde los primeros pasos de la entrada de datos hasta llegar a los resultados es responsabilidad de

nosotros.

Hay que entender que como todo software queda de parte del usuario la continua investigación e

ir familiarizándose con él, mediante la práctica y el análisis del mismo, sin embargo en el caso del

Sap2000 se une la condición del estudio continuo de la parte estructural, las normativas regionales

y particulares que le apliquen a su diseño y la aplicación de una lógica y conocimiento estructural

que le sirva para entender y asegurarse de que la modelación que se está realizando está dentro

de los parámetros normativos y que su comportamiento estructural se ajuste a la realidad. Este

punto es tan importante para el manejo del software, que dentro de él existe toda una serie de

manuales y ejemplos proporcionados por Computers and Structures, Inc, con el fin de colaborar y

brindar el mejor apoyo. Sin embargo y como se indicó anteriormente queda de parte del usuario

la labor de estudiarlos, investigar y practicar para comprender el alcance del software.

Una de las ventajas y por la cual el SAP2000 se ha popularizado tanto en el medio de los calculista

es que es uno de los primeros que se diseñó bajo la plataforma Windows, por lo cual su interface

con el usuario es una de los más amigables y sencillas. Otro aspecto es la graficación completa

del modelo y lo explícito de los resultados, el cual facilita su entendimiento y provee una rápida

verificación.

El programa analiza el modelo estructural bajo la metodología de elementos finitos, basándose en

las siguientes consideraciones:

• La discretización geométrica de la estructura en elementos finitos y puntos nodales de

conexión.

• La selección de funciones de forma, orientación y vinculación para los elementos.

• Determinación de las matrices individuales de rigidez para los elementos.

• Ensamblar las matrices individuales en una matriz global de rigidez de todo el modelo, al

aplicar principios de minimización de energía.

• Solucionar el sistema de ecuaciones para obtener los desplazamientos en los puntos

nodales del esqueleto de elementos.

• Basado en las deflexiones, se calcular los esfuerzos y deformaciones necesarias para el

diseño.


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Entre los aspectos resaltante de las últimas versiones del SAP2000, podemos mencionar el manejo

de estructuras a bases de sólidos, el cual provee la herramienta para modelar elementos tales

como muros de concreto (estructurales y de sostenimiento), detallados de conexiones metálicas,

bloques macizos para fundación, losas gruesas, recipientes, zapatas, conjuntos pilotes-cabezales,

etc. Solo se requiere esquematizar el elemento como un grupo de elementos discretos de sólidos

con propiedades 3D y modelarlo. El otro aspecto es la integración de una gran variedad de

herramientas para el diseño y verificación de puentes, que va desde la generación de la

geometría (vigas prefabricadas, cables, plataformas, etc.), hasta los estándares de cargas móviles

y elementos pre-esforzados.

2.- Herramientas y maneras para elaborar geometrías y editar diversos elementos estructurales

en el SAP2000.

El SAP2000 como herramienta de cálculo y análisis se basa en su interface totalmente gráfica, por

lo cual uno de los primeros paso al iniciar cualquier modelo en 2D o 3D, es la elaboración de la

geometría del modelo estructural; para ello existe una gran variedad de herramientas internas

para logras este fin, aquí detallaremos cada una de las más empleada y explicaremos como

importar desde el Software Autocad cualquier geometría.

Sin embargo antes de comenzar debemos entender que todo modelo debe estar enmarado en

un “Sistema de Coordenadas Globales” el cual se emplea para describir la localización de los

puntos de conexión, dirección de cargas, fuerzas aplicadas, deformaciones y esfuerzos de cada

elemento.

El SAP2000 establece un “Sistema de Coordenada Global”. El cual usualmente consiste en un

sistema de coordenadas rectangular de tres dimensiones o ejes denominados “X”, “Y” y “Z”, los

cuales por ser rectangulares son ortogonales entre si y se rigen por la regla de la mano derecha. Así

mismo cada eje incluye valores negativos y positivos los cuales definen la totalidad del espacio 3D.

Una de las característica del “Sistema de Coordenada Global” es que por concepción el

programa considera continuamente al eje “Z” como la componente vertical del sistema de

coordenadas, por lo tanto valores de “Z” negativos indican por ejemplo fuerzas gravitatorias y

pesos propios.

Al iniciar el software SAP2000, se nos presenta la primera interface, la cual nos provee una variedad

de modelos preestablecidos y comúnmente empleados en los diseños estructurales, esta plantilla

se presenta a continuación.


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2.1.- Modelos Estructurales pre-establecidos del Software.

Una herramienta básica en el SAP2000 es el empleo de los “Güillines” o rejillas guías que nos

ayudan en la geometrización del modelo; el programa establece dos formas de crear estas rejillas

que describen el espacio 3D necesario para lograr geometrizar el modelos estructural. La primera

está basada en un arreglo rectangular definido de igual manera que el “Sistema de Coordenadas

Global” por los ejes “X”, “Y”, “Z”.


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Gridline en Sistema Rectangular Gridline en Sistema Cilíndrico

La segunda manera de crear los gridlines o rejilla es siguiendo un sistema cilíndrico, definido por

una relación de un “Radio”, un ángulo “Theta” y la componente vertical “Z”, ubicados desde la

coordenada “0,0,0” del “Sistema de Coordenada Global”. Los ángulos se miden en sentido anti-

horario y los radios desde el punto de origen “0,0,0”.


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2.2.- Asistente para generar rejillas rectangulares o cilíndricas

Plantilla para generar rejillas

rectangulares o cilíndricas de igual

longitud

Rejilla rectangular, vista en planta y 3D


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Maneras de editar o modificar la rejilla

Plantilla para editar la rejilla, se clasifica según los ejes globales “X”, “Y” y “Z”


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A continuación se presentan varias herramientas que permiten geometrizar directamente el

modelo, entre ellos tenemos cerchas 2D, 3D, pórticos rectangulares, torres, escaleras, etc.

2.3.- Modelos para generar cerchas en 2D.


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2.4.- Asistente para generar geometrías de pórticos rectangulares


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2.5.- Asistente para generar geometrías de pórticos rectangulares perimetrales


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2.6.- Asistente para generar geometrías de pórticos rectangulares con áreas


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2.7.- Asistente para generar geometrías básicas de escaleras o rampas

2.8.- Asistente para generar geometrías de sólidos


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2.9.- Asistente para generar geometrías de puentes y cables


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2.10.- Importar geometrías desde Autocad


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2.11.- Herramientas de Edición para geometrías

Copiar/Pegar

La primera herramienta de edición es Copiar “COPY”,

seleccionando previamente un nodo, elemento o área

serán copiados para ser pegados “PASTE” en otra

ubicación del grid.

Replicar/Repetir

Así mismo “REPLICATE” repite y pega automáticamente la

serie de elementos previamente seleccionado según una

especificación de separación continua a lo largo de los

ejes del “Sistema de Coordenadas Global”.

Extruir/Extender/Generar

El comando “EXTRUDE” crea elementos a partir de puntos

preseleccionados, áreas a partir de elementos o sólidos a

partir de áreas.

Mover

El comando “MOVE” traslada los nodos, elementos o

áreas a una nueva posición dentro de los gridlines,

suministrándole la diferencia entre la posición original y la

nueva.


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Dividir elementos

El comando “DIVIDE FRAMES” divide los elementos

seleccionados en un número igual, cuya longitud es igual

para todos de elementos.

Unir elementos

El Comando “JOINT FRAMES” permite unir varios elementos

preseleccionados en uno solo.

Generar elementos curvos

El comando “EDIT CURVE FRAMES” permite generar un

elemento curvo a partir de uno recto. Presentando varias

opciones, entre las más comunes definir el elemento curvo

por tres coordenadas, o por dos puntos y un radio o hasta

generar elementos de forma parabólica.

Dividir áreas o sólidos

El comando “DIVIDE AREAS/DIVIDE SOLIDS” permite dividir

las áreas o sólidos seleccionado en un número igual, cuya

longitud sea igual entre ellas, definiendo la división en dos

ejes para las áreas y en tres para los sólidos.


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Unir nodos cercanos

El comando “MERGE JOINTS” permite unir o conectar dos puntos

cercanos (definiendo uno tolerancia de cercanía) para generar

uno solo, de esta manera se puede verificar la conectividad

entre los elementos.

2.12.- Herramientas generales y de visualización

Herramientas generales

Herramientas para visualización


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Plantilla para visualización de uniones/elementos/áreas/sólidos/general

Mediante esta plantilla el usuario puede visualizar propiedades y características de los nodos, elementos, áreas o sólidos.

Entre las más usadas se indica el “LABELS” o codificación de las juntas, elementos o áreas. “RESTRAINTS” permite visualizar la

vinculación de apoyos de las juntas. “SECTIONS” visualiza la sección asignada a los elementos. “LOCAL AXES” visualiza los

ejes locales de las juntas, elementos, áreas o sólidos. “FILL OBJECTS” genera una visual llena de las áreas. “EXTRUDE VIEW”

genera una proyección en solido de la sección asignada a los elementos. Queda de parte del usuario en familiarizarse con

cada uno las configuraciones de la visualización.

Todo este grupo de herramientas brindan grandes facilidades para elaborar todo tipo de

geometría necesaria para plantear el modelo estructural, solo basta con poner un poco de

imaginación y creatividad.


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3.- Definición, asignación y edición de los materiales, secciones de elementos (vigas, columnas

y losas), restricciones de juntas, tipos de carga (muerta, variable, viento, etc.) y

combinaciones de cargas.

Una vez creado la geometría del modelo estructural, el siguiente paso es definir los materiales que

se emplearan y las secciones de los elementos (vigas, columnas, losas, elementos de cerchas,

muros, etc.); establecer los grados de libertad de los apoyos y de los mismos elementos, configurar

y asignar las cargas que actuaran sobre el modelo. Para todo esto seguimos con nuestra interfase

grafica e ir agregando cada uno de estos aspectos a nuestro modelo.

3.1.- Definición de Materiales

Opciones para Aluminio/

Formado en Frio/Concreto/Otros/

Acero de Refuerzo/Acero estructural


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Plantilla para Acero Estructural

Plantilla para Concreto Armado

3.2.- Definición de Elementos

Plantilla general para generar elementos


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Plantilla para perfiles metálicos tipo “I”

Plantilla para perfiles rectangulares

de concreto armado

Plantilla para columnas de concreto armado

Plantilla para vigas de concreto armado


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3.3.- Definición de Areas

Las áreas son superficies definidas por 3 o 4 nodos

perimetrales en un plano y con un espesor fijo o variable.

Estas se encuentran definidos y orientados según dos ejes

perpendiculares que describen la superficie (eje 1 y 2) y un

tercer eje perpendicular a los dos anteriores (eje 3).

Plantilla general para definir áreas

Plantillas detallada para definir áreas

El SAP establece tres tipos de áreas (Shell,

Plate, Membrane) las cuales presentan

comportamientos particulares.

“Menbrane” son áreas que permiten

deformaciones longitudinales en los dos

ejes de su plano (1 y 2) y la rotación

alrededor del eje perpendicular a este

plano (3). “Plate” es un área que permite

deformaciones transversales en los dos

ejes de su plano y rotación alrededor de

su eje perpendicular. “Shell” es un área

que combina a las dos anteriores, es decir

permite desplazamientos y rotaciones en

sus tres ejes.


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3.4.- Definición de Sólidos

Propiedades; opciones para Aluminio/

Formado en Frio/Concreto/Otros/

Acero de Refuerzo/Acero estructural

3.5.- Definición de casos de carga

Plantilla para definir los tipos de carga

Es de importancia establecer que el tipo de carga muerta “DEAD”

es el único que debería tener como factor de multiplicación de

peso propio el valor de “1”, el resto de las cargas deberían ser “0”

para que no consideren el peso propio de los elementos


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3.6.- Definición de Espectros de Diseño

Por medio de este comando se puede introducir la función que define el espectro de diseño

establecido en las normas para poder aplicar las solicitaciones sísmicas al modelo. Inicialmente se

debe adicionar una nueva función, definida por los valores de periodo y aceleración para el

espectro de diseño, el valor del amortiguamiento y los coeficiente Ca y Cv.


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3.7.- Definición de Combinaciones de Carga

Las combinaciones de cargas pueden ser incorporadas directamente por el usuario, adicionando

los tipos de carga previamente definidos y sus correspondientes factores de mayoración; o al

momento de establecer la norma para la cual se desea que el programa verifique o diseñe los

elementos, esta los incorpora automáticamente según dicha norma.

Plantilla establecer las combinaciones


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3.8.- Definición o trazado de elementos estructurales

Trazado de los nodos o conexiones

Trazado de los elementos

Trazado de los elementos

Trazado de diagonales


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Trazado de áreas poligonales

Trazado de áreas rectangulares

Trazado de áreas automáticas


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3.9.- Asignar restricciones a las juntas

Preseleccionando las juntas o los nodos se asigna el sistema de apoyos para el modelo, ya sea

empotramientos, simplemente apoyado, apoyo tipo rodillo o nodo simple, estos automáticamente

asignan las restricciones en los tres ejes tanto en desplazamientos como en rotaciones.

3.10.- Asignar propiedades de secciones

Preseleccionando los elementos se puede asignar cualquier tipo de sección que inicialmente se

definieron.


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3.11.- Asignar grados de libertad o relajar extremos de elementos

Preseleccionando los elementos se puede liberar las restricciones internas de movimientos en los

extremos de los elementos (movimiento longitudinal, trasversal o giro) referenciado al eje local del

frame.

3.12.- Definir y modificar ejes locales del elemento

Cada elemento posee su propio sistema de coordenada, denominados ejes locales, (1,2,3) en donde el

primero está sobre el eje longitudinal del elemento, por lo cual los ejes 2 y 3 se deben orientar según se desee

que trabaje dicho elemento. Generalmente se adopta lo siguiente, el plano 1-2 es vertical y paralelo al eje

global “Z”. Para elementos horizontales el eje 2 es paralelo al “+Z”, si el elemento es vertical es paralelo al

“+X”; por lo tanto el eje 3 siempre es horizontal y paralelo al plano “X-Y”. Otra forma de entenderlo es, el eje 1

es longitudinal, el 2 es la dimensión transversal mayor “Profundidad” y la 3 la menor transversal “Ancho”


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3.13.- Asignar cargas o desplazamientos a los nodos

3.14.- Asignar cargas a los elementos

Cargas gravitatorias

Usualmente se utiliza para asignar al elemento una carga distribuida a lo largo de su longitud, que

viene dada por fracciones del valor de la gravedad


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Cargas puntuales

Preseleccionando los frames, se puede asignar cargas o

fuerzas puntuales a lo largo del elemento, definiendo su

ubicación, magnitud y dirección.

Plantilla para asignar cargas puntuales


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Cargas distribuidas

Preseleccionando los frames, se puede asignar cargas o

fuerzas distribuidas de forma rectangular o trapezoidal

definida hasta por cuatro puntos a lo largo del elemento,

definiendo su ubicación, magnitud y dirección.

Plantilla para asignar cargas distribuidas

rectangulares

Plantilla para asignar cargas

distribuidas trapezoidales


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3.15.- Asignar propiedades a las áreas

Asignar sección

Asignar ejes locales


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3.16.- Asignar cargas a las aéreas

Carga gravitatoria

Carga uniforme distribuida sobre la losa


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Carga uniforme distribuida sobre su perímetro


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3.17.- Zona de Rigidez en nodos

De acuerdo al análisis estructural que usualmente se desarrolla, no se considera el aporte de las

zonas de rigidez definidas por los nodos debido a que solo se estudia el comportamiento mediante

los ejes de los elementos. Sin embargo el programa tiene la opción de incorporarlos al modelo, se

puede configurar el SAP para que defina automáticamente todas estas zonas de rigidez según la

geometría de cada elemento o definirlas para un nodo en particular. Todo esto estableciendo un

“Factor de Rigidez” que va desde “0” (nodo sin rigidez) a “1” (rigidez completa del nodo)


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4.- Proceso de análisis estructural e interpretación de resultados para el diseño o verificación del

sistema estructural.

Completado todo el modelo estructural y asignada el sistema de cargas que se prevé actué sobre

él, se debe configurar el análisis y estudiar los resultados para efectuar la correspondiente

verificación y ajustes en el modelo.

4.1.- Configuración e inicio del proceso de análisis

Plantilla para configurar el análisis


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Plantilla para seleccionar los casos para análisis

Reporte general de la corrida del análisis


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4.2.- Configuración para obtener la deformada del modelo

Selección de caso o combinación

de carga a mostrar la deformada

4.3.- Configuración para obtener las fuerzas y esfuerzos en los elementos

Visualizar las fuerzas en los notos restringidos (apoyos)


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Visualizar las fuerzas y esfuerzos en los elementos

Configuración de las fuerzas o esfuerzos a mostrar


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4.4.- Configuración para obtener las fuerzas y esfuerzos en áreas

Plantilla para la configuración de las fuerzas, esfuerzos y diseños a mostrar


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4.5.- Configuración para obtener los reportes o tablas del análisis

Plantilla para la configuración y selección de las tablas o reportes

Visualización de los reportes para exportarlos como documentos


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4.6.- Configuración para el diseño y verificación en concreto armado o acero estructural

bajo determinada norma pre-establecida por el SAP2000

Selección de los parámetros para el diseño de concreto armado


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4.6.1.- Proceso de diseño y verificación en concreto armado

Vista de los elementos indicando el acero

superior e inferior en tres puntos de análisis

Tocando con el botón derecho, se muestra la

siguiente plantilla que describe la información del

diseño en concreto según la norma definida

anteriormente, indicando para cada

combinación, la ubicación, el área de acero

superior e inferior y la relación de acero por corte.


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Marcando para una de las

combinaciones en

particular se genera esta

nueva hoja de cálculo ya

sea para el sumario,

detalles de flexión o

detalles del cálculo a

corte.


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4.6.2.- Proceso de verificación del modelo para estructura metálica

Selección de los parámetros para el diseño de estructura metálica

Proceso similar al

indicado para el diseño

o verificación en

concreto armado se

plantea para el diseño

con estructura

metálica, con la

diferencia que en este

caso estaríamos

analizando valores que

representan el

porcentaje de

eficiencia de cada

elemento. Es decir una

relación entre la

capacidad de soporte

del elemento definida

según una normativa

particular referenciada

a las solicitaciones

según el sistema de

carga asignado al

modelo.

Selección de las combinaciones para la verificación


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Inicio del proceso de verificación de los elementos metálicos


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Configuración para guardar automáticamente el modelo

4.7.- Exportar el modelo a formato Autocad


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Localización del archivo “SAPDXF” Asignar layer

5.- Ejemplos de cálculo relativos a sistemas estructurales con elementos de concreto armado y

metálicos.

5.1.- Ejemplo de sistema estructural con elementos de concreto armado.

Para preparar un modelo estructural con elementos de concreto armado, consideremos el

siguiente diseño; una edificación a porticada de tres niveles, donde los pórticos paralelos al eje Y,

esta a 5m, 13m y 18m desde el origen y los paralelos al eje X se ubicarán a 5m, 9m y 14m. Los

entrepisos presentan un desnivel de 4m cada uno y los elementos a considerar son:

Vigas longitudinales de 30x50cm / Vigas Transversales de 30x40cm

Columnas exteriores de 30x40cm / Columnas Internas de 30x30cm

Losa de techo maciza de 15cm / Losa de entrepiso maciza de 20cm

Las cargas según norma COVENIN-2002, Tabla 5.1 son:

Carga variable para techo, uso como azotea = 100Kg/m2

Carga variable para entrepiso, uso como locales para comercio 300Kg/m2


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Vista en planta del conjunto

Vista en isometría del conjunto


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5.2.- Ejemplo de sistema estructural con elementos metálicos.

Para preparar un modelo estructural con elementos metálicos, consideremos el siguiente diseño;

una edificación para ser utilizada como galpón de almacenamiento de mercancía, con una

longitud de 32m, pórticos a dos aguas, con una luz libre de 18m, y una altura de 5m y 6,50m a la

cumbrera. Los pórticos se encuentran separados a 4m. La cubierta del techo está planteada con

lámina metálica liviana tipo Aceral o similar, cuyo peso es de 6Kg/m2, y correas cada 0,80m de

separación. Según información del cliente, se dispone de perfiles tipo IPE y HEB para todo el

diseño.

Las cargas según norma COVENIN-2002, art. 5.2.4.2 son:

- Techo metálico liviano con peso propio menor a 50Kg/m2, = 40kg/m2.

- Las correas deberán ser verificadas con una carga concentrada de 80Kg en el punto más

desfavorable, y no se considera simultáneamente a la distribuida antes mencionada.

- Se considera un viento mínimo de 50kg/m2, en la dirección transversal del pórtico.



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Vista en isomería - unión columna/viga/correa


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