Analisis Sismico Estatico-02 Pisos 551x3b

UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CENTRO DEL PERÚ

FACULTAD DE INGENIERIA CIVIL

UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CENTRO DEL PERÚ FACULTAD DE INGENIERÍA CIVIL

“ANALISIS SISMICO ESTATICO DE UNA EDIFICACION DE DOS NIVELES”

ÁREA DE ESTRUCTURAS

TUTORIAL DEL SAP2000

DOCENTE ING. RONALD SANTANA TAPIA

HUANCAYO – PERÚ 2014

ANALISIS SISMICO ESTATICO

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Se analizará la estructura de 2 pisos mostrada en la figura, que será destinada a una vivienda. La distribucion de las fuerzas sismicas aplicadas en elcentro de masas de cada piso (diafragma rigido) entre los elementos de la estructura (porticos de los ejes), conssierendo las excentricidades directa y accidental. El anlisis se hara par acada direccion del sismo independientemente, es decir para la direccion X y para la direccion Y. Para efectos del analisis sismico por el metodo estatico, la edificacion corresponde a la categoria de uso C, con U = 1. La estructura estructura se ubica en la ciudad de Huancayo, considerando como zona sismica 2 (Z = 0.3). Siendo el edificio relativamente bajo (con un periodo fundamental menor que 0.4 seg), el coeficiente de amplififcacion sismico sera C = 2.5. El factor de suelo S sera 1.2, los principales elementos resistentes a las acciones de sismo para ambas direcciones son los porticos por lo que se supondra R = 8.


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1. DATOS GENERALES DE LA EDIFICACION:

   

Vigas principales y secundarias: 25x55 cm Columnas cuadraras: 30x30 cm Columnas circulares: Ф 30 cm Fuerza del sismo en el primer nivel:  Sismo en la direccion X: 11.925 ton  Sismo en la direccion Y: 11.925 ton



Fuerza del sismo en el segundo nivel:  Sismo en la direccion X: 19.505 ton  Sismo en la direccion Y: 19.505 ton



Ubicacion del centro de masas:  Primer nivel: (Xo, Yo) = (4.881 m, 7,830 m)  Segundo nivel: (Xo, Yo) = (5.659 m, 8.043 m)


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

Ubicacion del centro de rigidez:  Primer nivel: (Xr, Yr) = (4.323 m, 7,474 m)  Segundo nivel: (Xr, Yr) = (4.498 m, 7.401 m)



Momentos torsores:  Primer nivel por sismo en X: Condicion 1: 12,477 ton.m Condicion 2: -1.866 ton.m  Primer nivel por sismo en Y: Condicion 1: 18,929 ton.m Condicion 2: -2.287 ton.m  Segundo nivel por sismo en X: Condicion 1: 28,779 ton.m Condicion 2: 2.525 ton.m  Segundo nivel por sismo en Y: Condicion 1: 48,594 ton.m Condicion 2: 8.015 ton.m

1. GROMETRIA DEL MODELO ESTRUCTURAL Antes de iniciar el modelamiento se debe definir las unidades de trabajo, para ello en la parte inferior derecha de la pantalla pricipal debemos elegir las unidades con las que iniciaremos el modelamiento, seleccionamos Tonf, m, C. Luego de abrir el programa hacemos click izquierdo en el menu File y seleccionamos con otro click la opcion New Model.


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De la ventana que se nos muestra seleccionamos la plantilla Grid Only, debido a que la estructura que modelaremos tiene elementos en diferentes direcciones.

En la cual debemos de ingresar los parametros geometricos del modelo a analizar, como la estructura tiene diferentes medidas mas adelante se corrigiran algunas de estas.


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Number of Grid Lines: numero de ejes en la direccion correspondiente. Grid Spacing: espaciamiento entre los ejes. Para este modelo necesitamos modificar la geometri de los vanos, para ello hacer click derecho en la ventana principal y elegir Edit Grid Data luego seleccionar Modife/Sow

Sistem.

En esta ventana podemos realizar las modificaciones de los vanos, tambien se puede eliminar o aumentar ejes.


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Para generar el modelo estructural vamos a utilizar la herramienienta Draw Frame/ Cable Element el cual dibuja un elemento barra entre dos nudos, ubicada en la barra de herramientas Draw.

Luego seleccionamos los nudos que deseamos unir y formen un elemento, para graficar toda la estructura del modelo.


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2. ASIGNACION DEL TIPO DE APOYO Para asignar el tipo de apoyo debemos seleecionar todos los nudos correspondiente al nivel Z=0, luego hacemos click en el menu Assing – t – Restraints...

Seguidamente nos mostrara el cuadro de restricciones, donde debemos seleecionar las restricciones que tendran los nudos elegidos (en este caso correponden a una cimentacion, por lo que se asigna apoyos empotrados).

3. DEFINICION DE LAS PROPIEDADES DE LOS MATERIALES Luego de haber definido la geometria de nuestro modelo y el tipo de apoyo, debemos definir el tipo de material a utilizar, paraello hacemos click en el menu Define – Materials, seguidamente el programa nos mostrara la ventana con los diferentes tipos de materiales con los que trabaja, en este cado debemos seleccionar la opcion Add New

Material.


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En la ventana Material Property Data debemos ingresar las propiedades correpondientes a un concreto de resistencia nominal de 210 kg/cm2, por lo cual debemos cambiar los parametros predeterminados, Ademas para nuestro caso en el metrado de cargas ya se ha incluido el peso propio de todos los elementos estructurales por ello asignaremos un peso unitario igual a cero, para que el programa no tome en cuenta los pesos de los elementos modelados en el analisis.


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4. DEFINICION DE LAS SECCIONES DE LOS ELEMENTOS ESTRUCTURALES Para definir las secciones vamos al menu Define - Section - Properties - Frame Setions, se mostrara la ventana de secciones definidas del SAP2000, en la seccion Click to seleccionamos la opcion Add New Property .

Seguidamente nos mostrara la ventana de definicion de secciones en la cual en la seccion Frame Section Property Tipe seleccionamos Concrete y elegimos Rectangular o Circular segun sea el caso, para ingresar la geometria de una seccion rectangular o circular.

Donde se ingresara el nombre de la seccion, el material y las dimensiones de los lados del elemento estructural.


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Luego hacemos click en la opcion Concrete Reinforcement con la finalidad de indicarle al programa que la seccion definida se asignara a una viga y las propiedades de las varillas a usar como refuerzo longitudinal y transversal.

Definir de manera similar las secciones faltantes, en la ventana Reinforcement Data en la seccion Desing Type para el caso de las columnas se elegira Column. 5. ASIGANACION DE LAS SECCIONES A LOS ELEMENTOS


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Para asiganar las secciones definidas a los elementos de nuestro proyecto, debemos de seleccionar en primer lugar todos los elementos correspondientes a la viga de 30x55, luego vamos al menu Assing – Frame – Frame Section...

Seguidamente nos mostrara la ventana con las secciones definidas, en la cual seleccionamos la seccion VIGA y hacemos click en ok.

Realizar los mismos pasos para asignar las demas secciones, para ver la volumetria de la estructura con las secciones asignadas a nuestro modelo hacemos click en el menu View – Set Display Options... y activamos la casilla Extrude View.


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6. ASIGNACION DE BRAZOS RIGIDOS Para la asignacion de brazos rigidos debemos de seleccionar toda la estructura haciendo click en el icono all de la barra de herramientas lateral, luego vamos al menu Assing –

Frame – End (Length) Offsets...

Seguidamente nos mostrara la ventana de longitud de brazo rigido, en la cual indicaremos al programa que calcule la longitud de brazo rigido automaticamente considerando un factor de brazo rigido de 1 (este factor consif¡dera que toda la interseccion entre la viga y la columna es rigida, dando como resultado los momentos y fuerzas en las caras de los elementos modelados).


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7. DEFINICION DE ESTADOS DE CARGA Los tipos de carga a utilizarse para esta estructura sera corresponden a los sistemas de carga muerta D, carga viva L1, carga viva L2, carga de sismo SX, carga de sismo SY. Para definir estos sistemas de carga vamos al menu Define – Load Patterns.

En la definicion de cargas estaticas definiremos los tipos de cargas que actuaran sobre la estructura, para ello en la casilla Load Pattern Name esccribimos L1, en la casilla Type desplegar la lista y seleccionar LIVE, luego para añadir dicho estado de carga hacer click en Add New Load Pattern. Seguir los pasos anteriores para los otros estados de carga (L2, SX, SY), luego de haber definido estos estados de carga hacemos click en ok.


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8. UBICACION DEL CENTRO DE MASAS DE LA ESTRUCTURA Para ubicar el centro de masas del primer piso en el cual se aplicara la fuerza de sismo y el momento torsor correspondientes al primer piso, primero hacemos click derecho sobre la ventana principal y seleccionamos Edit Grid Data, seguidamente elegimos Modify/Show Sistem, luego en la ventana que aparece aumentamos un eje en la direccion X y otro en la direccion Y, finalmente hacemos click en ok dos veces.

Luego vamos al menu Draw y seleccionamos Draw Special t para crear un nudo en la interseccion de los ejes creados haciendo click en esta interseccion, el cual sera el centro de masas del primer piso.


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Luego de crear el nudo debemos de darle restricciones e este nudo, el cual puede trasladarse en la direccion X e Y y rotar elrededor del eje Z, para ello seleccionamos el nudo y vamos al menu Assing – t – Restraints y seleccionar las opciones antes mencionadas, luego hacer click en ok.

De igual manera realizamos los pasos mencionados para crear el centro de masas del segundo piso (no olvidar que primero debemos de agregar las coordenadas de los ejes en la direccion X e Y).


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9. ASIGNACION DE DIAFRAGMAS PARA CADA PISO Para asignar los diafragmas por cada nivel, seleccionamos primero todos los nudos del nivel Z = 4.5 incluido el centro de masas, luego hacemos click en el menu Assing –

t – Constraints.

El programa nos mostrara la ventana de definicion de Constraints, en esta ventana en la casilla Choose Constraint Type to Add, seleccionamos la opcion Diaphragm y luego hacer click en Add New Constraint.

En la ventana Diaphragm Constraints, ingresar el nombre del diafragma (TECHO 1) y seleccionar el eje alrededor del cual rotara dicho diafragma, para aceptar los datos ingresados hacer click en ok, hacer click una vez mas para asignar el constraint a los nudos seleccionados.


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De esta manera habremos generado el disfragma del primer piso, luego repetimos los pasos mencionados para asignar el diafragma del segundo piso.

10. ASIGANCION DE CARGAS A LA ESTRUCTURA Las cargas son el resultado del metrado de cargas realizado a a la estructura:

 Primer piso: Vigas principales de los ejes A, B y C, carga muerta 2 ton/m, carga viva 0.5 ton/m. Vigas secundarias de los ejes 1, 2, 3 y 4, carag muerta 0.4 ton/m, carga viva 0.1 ton/m.

 Segundo piso: Vigas principales de los ejes A, B y C, carga muerta 2 ton/m, carga viva 0.375 ton/m. Vigas secundarias de los ejes 1, 2, 3 y 4, carag muerta 0.4 ton/m, carga viva 0.075 ton/m. Para cargar la estructura debemos seleccionar los elementos que tienen el mismo valor de carga distribuida, de acuerdo al eje que le corresponde, se deben elegir elementos siguiendo el criterio de dameros en el caso de la carga viva. Luego ir al menu Assing –


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Frame Loads – Distributed, correspondiente a la ventana de asignacion de fuerzas distribuidas sobre los elementos Frames.

Primero debemos seleccionar el estado de carga en el cual estara ubicado la carga a asignar, ssegundo debemos indicar el tipo de carga y la direccion, debido a que es una carga uniformemente distribuida que sigue el sentido de la gravedad debemos seleccionar Force como tipo de carga y Gravity. En la casilla Uniform Loads debemos indicar el valor de la carga sobre las vigas, para asignar las cargas en los elementos hacemos click en ok. Realizamos estos pasos para la carga muerta y viva.

De esta forma se debe de cargar la estructura con los sistemas de cargas DEAD, L1 y L2, cabe recalcar que los sistemas de cargas vivas L1 y L2 se han considerado mediante cargas de damero con la finalidad de obtener los maximos efectos de momento y corte positivo y negativo actuante sobre la estructura.


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Para asignar las cargas de sismo seleccionamos en primer lugar el nudo que representa el centro de masas del diafragma del primer nivel, luego nos vamos al menu Assing –

t Loads – Forces.

El prigrama nos mostrara la ventana t Forces, correspondiente a la ventana de fuerzas en los nudo, en la que cargamos la estructura con un valor correspondiente al nudo del nivel seleccionado, de esta manera contginuamos cargando los demas niveles hasta completar la asignacion de cargas de sismo en ambas direcciones principales por separado.

11. VISUALIZACION DE LOS ESTADOS DE CARGAS Para observar los estados de carga que se han asignado debemos de ir al menu Display - Show Load Assigns - Frame/Cable/Tendon, luego nos aparecera la ventana Show Frame Loads donde haremos click en ok.


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Finalmente en la parte inferior derecha apareceran flechas en sentido opuesto en forma horizontal con el cual poedmos observar todos los estados de carga haciendo click en una de las flechas para ver el siguiente estado de carga.


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12. DEFINICION DE COMBINACIONES DE CARGA Luego de haber cargado la estructura con los sistemas de cargas actuantes debemos de realizar las combinaciones de carga con la finalidad de ejercer los maximos efectos sobre la estructura, para ello en base a la norma E – 060 se usaran las siguientes combinaciones de carga: 1.4 D + 1.7 L1 1.4 D + 1.7 L2 1.4 D + 1.7 (L1+L2)

1.25 1.25 1.25 1.25

D+ D+ D+ D+

1.25 1.25 1.25 1.25

(L1+L2) (L1+L2) (L1+L2) (L1+L2)

+ SX – SX + SY - SY

0.9 0.9 0.9 0.9

D D D D

+ SX - SX + SY - SY

Para definir las combinaciones de carga a utilizarse vamos al menu Define – Load Combinations, luego nos mostrara la ventana de definicion de combinaciones de carga.

En esta ventana debemos de hacer click en Add New Combo, en la que nos mostrara la ventana para generar las combinaciones de carga en funcion de factores de carga de diseño. Primero debemos escribir el nombre de la combinacion (en este caco estamos dejando el nombre que asigna el programa por defecto). Segundo debemos elegir el tipo de combinacion (las combinaciones COMB1 a COMB11 son del tipo Liner Add, mientras que la ultima es una envolvente). Finalmente debemos ingresar cada uno de los terminos que forman la combinacion. Para aceptar los datos ingresados en la ventana hacer click en ok.


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Seguir los procedimiento antes descritos para definir las combinaciones restantes. En el caso de la envolvente se debe seleccionar en Load Combination Type la opcion Envelope y como terminos de la combinacion las combinaciones antes definidas con un factor de escala 1.

13. ANALISIS DEL MODELO ESTRUCTURAL Luego de haber definido el modelo y la estructura procedemos al analisis estructural, para ello vamos al menu Analize - Set Analysis Options.


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El programa nos mostrara la ventana de opciones de analisis donde hacemos click en la opcion Space Frame, debido a que estamos realizando un analisis tridimensional, luego hacemos click en ok.

Luego vamos nuavamente al menu Analyze - Set Analysis Cases to Run, donde el programa nos mostrara la ventana de seleccion de los casos de analisis que deseamos que se ejecuten en el analisis. Como estamos realizando un analisis sismico estatico seleccionamos el estado de carga llamado MODAL (mediante el cual el programa calcula las propiedades dinamicas de la estructura) y hacemos click en el boton Run/Do Not Run Case, observe como la columna Action cambia de Run a Do Not Run, lo cual indica que el programa no analizara dicho caso de analisis.


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Para ejecutar el programa hacemos click en Run Now, luego aparecera una ventana en el cual debemos de seleccionar una carpeta en el cual deseamos guardar el analisis.

14. VISUALIZACION GRAFICA DE LOS DESPLAZAMIENTOS Para visualizar la deformada de la estructura debido a los estados de carga de sismo, vamos al menu Display - Show Deformed Shape. El programa nos mostrara la ventana Deformed Shape, donde se indica en Case/Combo Name el estado de carga SX o SY y algunas opciones de visualizacion como son un factor de escala de la deformada (Scaling), Wire Shadow para indicarle al programa que dibuje la estructura no deformada de color plomo.

Al acercarnos a un nudo para visualizar sus desplazamientos, debemos de hacer click derecho en tal nudo y el programa nos mostrara los desplazamientos traslacionales y rotacionales de dicho nudo, estos desplazamiento se encuentran expresados en coordenadas locales.


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Los desplazamientos elasticos calculados con el programa deben ser corregidos como lo manda la norma al haberse usado fuerzas sismicas reducidas. 15. VISUALIZACION GRAFICA DE REACCIONES EN LA BASE Para poder visualizar los valores de las reacciones en la base de la estructura vaya al menu Display - Show Forces/Stresses - t. En la ventana t Reaction Forces debemos seleccionar debido a que estado de carga o combinacion deeseamos observar las reacciones en la base y ademas activamos la casilla Show Results as Arrows para que el programa muestre las reacciones indicando sus direcciones con flechas.


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Para observar mas en detalle los valores de la reaccion en el nudo de la base hacer click derecho sobre uno de ellos, lo cual nos mostrara las fuerzas y momentos en el nudo en ejes locales.


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16. VISUALIZACION GRAFICA DE LOS DIAGRAMAS DE FUERZA AXIAL, CORTANTE Y MOMENTO FLECTOR Para visualizar los resultados en forma grafica las fuerzas y momentos, vamos al menu Display - Show Forces/Stresses - Frames/Cables; se mostrara la ventana de diagramas de fuerzas en los elementos barra, en la que podemos elegir los resultados de carga axial, cortantes y momentos.

En la seccion Case/Combo elegimos el estado de carga del cual deseamos ver sus diagramas, en la seccion Component seleccionamos el diaframa que deseamos observar, los numerales (2-2 y 3-3) indican el eje local en el cual se mostraran los diagramas de fuerza cortante y momento flector.

DIAGRAMA DE FUERZA AXIAL


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DIAGRAMA DE FUERZA CORTANTE EN EL EJE LOCAL 2

DIAGRAMA DE MOMENTO LFECTOR EN EL EJE LOCAL 3


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Se ha observado los diagramas en forma grafica, para llevarlo a tablas primero seleccionamos al elemento que queremos analizar, luego vamos al menu Diplay - Show Tables.

En la ventana Choose Tables for Display, selesccionamos en la seccion ANALISIS RESULTS: Element Forces-Frames para ver las fuerzas al interior de los elementos Frame, luego debemos seleccionar debido a que combinaciones queremos observar las fuerzas y momentos, para ello hacemos click en el boton Select Load Cases de la seccion Load Cases (Results), finalmente hacer click en ok.

El programa mostrara las fuerzas en diferentes secciones del elemento, la primera seccion se encuentra en la cara de las cloumnas debido a que se ha considerado brazo rigido al 100%, dichas fuerzas y momentos estaran indicados en sus ejes locales. ANALISIS SISMICO ESTATICO

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17. DISEÑO DE LA ESTRUCTURA Luego de analizada la estructura el siguiente pado es el diseño, para ello primero debemos definir el codigo de diseño, que en este caso correpondera al del ACI-318-05, luego seleccionamos las combinaciones que se utilizaran en dicho diseño, finalmennte obtendremos las cuantias de acero requeridas para la estructura. 17.1. Definicion Del Codigo De Diseño Para definir el codigo de diseño vamos al menu Desing-Concrete Frame Design View/Revice Preferences.

En la ventana de preferencias de diseño debemos de seleccionar el codigo de diseño en la casilla Design Code, tambien se pueden modificar algunos factores de diseño y parametros de diseño como las superficies de interaccion, hacer click en ok para aceptar los parametros seccionados.


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17.2. Seleccion De Las Combinaciones De Diseño Para selccionar las combinaciones de diseño vamos al menu Design - Concrete Frame Desing - Select Design Combos.

En la columna List of Load Combinations debemos seleccionar las combinaciones a utilizar en el diseño para ello las movemos a la columna Design Load Combinations con el boton Add. Para evitar que el programa añada combinaciones de diseño provenientes del codigo de diseño seleccionamos desactivar la casilla Automatically Generate Code - Based Design Load Combinations, una vez seleccionada las combinaciones a utilizar hacemos click en ok.


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17.3. Cuantias De Refuerzo En Los Elementos Estrcuturales Para determinar las cuantias de acero primero seleccionamos toda la estructura, luego vamos al menu

Design - Concrete Frame Design View/Revise Overwrites.

En la ventana que aparece debemos de seleccionar el tipo de elemento para el diseño en la casilla Framing Type, desplegar la lista y seleccionar Sway Special.


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Para observar las cantidades de acero en cada elemento vamos nuavamente al menu Design - Concrete Frame Design - StartDesign/Cchech of Structure. El programa mostrara el area de acero longitudinal requeridas por todos los elementos, para observar con mayor presicion las cantidades desplegar la lista de unidades en la parte inferior derecha de la ventana principal y seleccionar Tonfcm.

Para ver el detalle del diseño de una viga hacer click derecho sobre dicho elemento, el programa mostrara la siguiente ventana.


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El programa muestra el diseño de cada seccion que compone el elemento viga seleccionada para todas las combinaciones seleccionadas, en el caso de las vigas observar la envolvente, se observa que la primera seccion se encuentra a 15 cm del punto inicial ya que hemos considerado 100% de brazo rigido y en el cual el acero longitudinal en la parte superior de la seccion es 5.12 cm2 (Top Steel) mientras que en la parte inferior se requiere 4.54 cm2 (Bottom Steel), la ultima columna muestra la cantidad de acero por corte requerido por la seccion (Shear Steel) y esta dado en unidades de area/longitud. Para ver el detalle del diseño de una columna hacer click derecho sobre tal elemento.

El programa muestra el diseño de cada seccion que compone el elemento viga seleccionada para todas las combinaciones seleccionadas, en el caso de las columnas observar cada una de las combinaciones excepto la envolvente; se puede observar que la primera seccion se encuentra a 0 cm del punto inicial ya que hemos seleccionado una columna del primer nivel, resulta que para la combinacion 7 es la que mayor area de acero requerida la seccion requiere un area de 36.29 cm2 de acero longitudinal (Longitudinal Reinforcement), tambien se muestra la cantidad de refuerzo por corte para los ejes locales 2 y 3 de la seccion de la columna en unidades de area/longitud (Major Shear Reinforcement y Minor

Shear Reinforcement). El programa tambien nos puede proporcionar la superficie de interaccion de la columna haciendo click en el boton Interaction.


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Para llevar los resultados de la superficie de interaccion al Excel debemos ir al menu Edit - Copy All, luego abrir un libro de Excel y copiar los datos (Ctrl+V).


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Analisis Sismico Estatico-02 Pisos 551x3b

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