___________ 1 UNIVERSIDAD DE SUCRE FACULTAD DE INGENIERIAS INGENIERIA CIVIL HERRAMIENTAS COMPUTACIONALES DOCENTE: ING. LIBARDO SALCEDOANÁLISIS Y DISEÑOS DE ESTRUCTURAS CON ETABS INTRODUCCIÓN Antes del desarrollo de los programas de análisis estructural, los ingenieros analizaban los edificios como un conjunto de pórticos planos empleando métodosaproximados como el del portal, voladizo, entre otros; utilizando para las operacionesnuméricas reglas de cálculo o calculadoras de mano. En 1970, el Dr. Edward L. Wilson, lanzó en EE.UU el primer programa completo de análisis estructural, llamado SAP, el cual representaba para su época el estadodel arte de los procedimientos numéricos para la ingeniería estructural. En esaépoca, el programa era utilizado en computadoras de gran tamaño, por lo queestuvo restringido a las organizaciones gubernamentales y a las grandescompañías. Los programas elaborados a inicios de los 70s tenían una serie de limitaciones, como: una capacidad muy reducida de análisis, un complicado proceso de ingresode datos (que se realizaba a través de tarjetas perforadas) y una trabajosa lecturade los resultados, los cuales se obtenían en papel impreso.Estas desventajas iniciales, que demandaban un gran cuidado en el ingreso de losdatos y en la lectura de los resultados, se fueron reduciendo con los años debido alaumento en la memoria y velocidad de las nuevas computadoras, laimplementación de nuevos métodos numéricos, la invención de nuevos algoritmos,lenguajes de programación y sistemas operativos con entornos gráficos másavanzados. El programa ETABS, Extended Three Dimensional Analysis of Building Systems o Análisis Tridimensional Extendido de Edificaciones,de la casa CSI (Computers & Structures Inc.) de Berkeley, California está orientado hacia el análisis y diseño de edificios de concreto reforzado y acero. Es hermano de SAP2000, el cual a su vez está orientado hacia cualquier tipo de estructura (incluidos edificios). CSI (Computers & Structures Inc.) de Berkeley ha desarrollado además de los anteriormente mencionados, SAFE, (losas y cimentaciones), CSICOL, (análisis de columnas), PERFORM3D, (análisis de segundo orden) y SECTION BUILDER, (análisis de secciones, ya no aparece en su catálogo). Todos los programas de CSI tienen una interfaz casi igual y con la misma organización para la entrada y salida de datos, por lo que se hace más corta la curva de aprendiz aje entre los diferentes paquetes.
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Antes del desarrollo de los programas de análisis estructural, los ingenieros analizaban losedificios como un conjunto de pórticos planos empleando métodosaproximados como el delportal, voladizo, entre otros; utilizando para las operacionesnuméricas reglas de cálculo ocalculadoras de mano.
En 1970, el Dr. Edward L. Wilson, lanzó en EE.UU el primer programa completo de análisisestructural, llamado SAP, el cual representaba para su época el estadodel arte de losprocedimientos numéricos para la ingeniería estructural. En esaépoca, el programa erautilizado en computadoras de gran tamaño, por lo queestuvo restringido a las organizacionesgubernamentales y a las grandescompañías.
Los programas elaborados a inicios de los 70s tenían una serie de limitaciones, como: unacapacidad muy reducida de análisis, un complicado proceso de ingresode datos (que serealizaba a través de tarjetas perforadas) y una trabajosa lecturade los resultados, los cuales
se obtenían en papel impreso.Estas desventajas iniciales, que demandaban un gran cuidadoen el ingreso de losdatos y en la lectura de los resultados, se fueron reduciendo con los añosdebido alaumento en la memoria y velocidad de las nuevas computadoras, laimplementaciónde nuevos métodos numéricos, la invención de nuevos algoritmos,lenguajes de programación ysistemas operativos con entornos gráficos másavanzados.
El programa ETABS, Extended Three Dimensional Analysis of Building Systems o AnálisisTridimensional Extendido de Edificaciones,de la casa CSI (Computers & Structures Inc.) deBerkeley, California está orientado hacia el análisis y diseño de edificios de concreto reforzadoy acero. Es hermano de SAP2000, el cual a su vez está orientado hacia cualquier tipo deestructura (incluidos edificios). CSI (Computers & Structures Inc.) de Berkeley ha desarrolladoademás de los anteriormente mencionados, SAFE, (losas y cimentaciones), CSICOL, (análisisde columnas), PERFORM3D, (análisis de segundo orden) y SECTION BUILDER, (análisis desecciones, ya no aparece en su catálogo). Todos los programas de CSI tienen una interfaz casiigual y con la misma organización para la entrada y salida de datos, por lo que se hace máscorta la curva de aprendizaje entre los diferentes paquetes.
Se analizará la estructura de 2 pisos mostrada en la figura, que será destinada a un centroeducativo en la ciudad de Sincelejo. En dirección transversal se tienen muros de mamposteríaen ladrillos alternados con pórticos de concreto armado. En dirección longitudinal se tienenpórticos. Los muros transversales están adosados a la estructura de concreto; aquellos endirección longitudinal están separados (sólo se considerará su masa o peso, pero no surigidez). Las losas serán aligeradas, de 20 cm de espesor.
INFORMACIÓN ADICIONAL:
Propiedades de materiales
Concreto Reforzado Resistencia a la comprensión:f’c = 210 kg/cm2
Modulo de elasticidad: E = 15,100 √f’cDensidad de masa del Concreto: = 2.4 t/m3
Resultados geotécnicos:Perfil del suelo: C Suelo tipo S3.
ANALISIS SISMICO
Método de Análisis Sísmico (A.3.4)Capacidad de disipación de energía mínima requerida (A.3.1.3)DESCoeficiente de capacidad de disipación de energía básico R0 (A.3.1.3)=7.0
Coeficiente de aceleración pico efectiva Aa(A.2.2)=0.10 Coeficiente de velocidad pico efectiva Av(A.2.2)=0.15 Coeficiente de Importancia I (A.2.5.2)=1.25 Coeficiente de Amplificación del suelo Fa (Periodos cortos)=1.6 Coeficiente de Amplificación del suelo Fv(Periodos intermedios)=2.4 Coeficiente de reducción de R0 por irregularidad en:
Planta (A.3.3.4) øp=1
Altura (A.3.3.5) øa=1
Coeficiente de capacidad de disipación de energía R (A.3)R=7.0x1.0x1.0=7.0 Cortante Sísmico en la base Vs (A.4.3) kN
Periodo de vibración fundamental aproximado Ta (A.4.2) s=0.2498s Periodo de vibración de transición TC (A.2.6) s=1.0s Periodo de vibración de inicio zona aceleración constante TL (A.2.6) s=4.0sPeriodo obtenido del análisis dinámico en la dirección 1 T1 sPeriodo obtenido del análisis dinámico en la dirección 2 T2 sDeriva máxima inelástica:
De acuerdo a la propuesta arquitectónica para dejar espacios libres amplios, propongoel sistema estructural de pórticos (Tabla A.3.3). Este sistema permite diseñar laestructura con DISIPACIÓN ESPECIAL DE ENERGIA (DES), en el rango inelástico.La edificación está localizada en una zona sísmica INTERMEDIA.La edificación se clasifica dentro del Grupo de Uso III (A.2.5.1.3)
Las fuerzas sísmicas para el diseño de los elementos estructurales (vigas, columnas y
cimentación) se calcularon con el espectro de las NSR-10, como factor de disipación deenergía se usó un R = 5.63 (Ro = 7, φa = 0.9 y φp = 0.9).
La carga muerta cubre todas las cargas de elementos permanentes de construcciónincluyendo su estructura, los muros, pisos, cielos rasos, escaleras, equipos fijos y todasaquellas cargas que no son causadas por la ocupación y uso de la edificación. Lasfuerzas netas de preesfuerzo deben incluirse dentro de la carga muerta.
Al calcular las cargas muertas deben utilizarse las densidades de masas reales ( enkg/m3) de los materiales las cuales se deben multiplicar por la aceleración de lagravedad, 9.81 m/s2, para así obtener valores de peso en N/m3.En la tabla-1 se muestran los valores de la densidad de masa en kg/m3 para losmateriales de uso más frecuente.
Al calcular las cargas muertas deben utilizarse las masas reales de los materiales. Debeponerse especial cuidado endeterminar masas representativas en este cálculo, utilizar el pesoespecificado por el fabricante o en su defecto debenevaluarse analítica o experimentalmente.
En las tabla 2 se dan valores de cargas muertas de los materiales típicos en elementos noestructuraleshorizontales, los cuales corresponden a valores mínimos promedio. El diseñadorestructural debe tener en cuenta la posibilidadde variación de estos valores debido adiferencias en los materiales locales y en la práctica constructiva.
Las cargas vivas son aquellas cargas producidas por el uso y ocupación de la edificación y nodeben incluircargas ambientales tales como viento y sismo.Las cargas vivas en las cubiertas son aquellas causadas por:
(a) Los materiales, equipos y trabajadores utilizados en el mantenimiento de la cubierta y(b) Las causadas por objetos móviles, tales como materas u otros objetos decorativos, y por laspersonas que tengan acceso a ellas.
PARA INICIAR EL PROGRAMA 1. Crear una carpeta en donde guardaremos el archivo. Haga doble click en el icono
de ETABS en el escritorio o busque la carpeta donde se instaló el programa y hagaclick en ETABS.exe.
2. En la lista desplegable de la esquina inferior derecha seleccione las unidades Ton-m - °C.
3. Si fuera necesario modificar la barra de herramientas, coloque el ratón sobre el área gris enla parte superior de la pantalla y haga click con el botón derecho del ratón.Las barras deherramientas no son indispensables, pero simplifican la entrada de datos.
Ejes de Referencia
4. Menú FILE – New Model (o botón New Model en la barra de herramientas)
5. En el formulario New ModelInitialization indique NO
6. En el formularioBuilding Plan Grid System and Story Data Definition:
No se requiere modificar las unidades que se indican al centro, hacia el ladoderecho.
Estando marcado el botón UniformGridSpacing:
Number Lines in X Direction =5
Number Lines in Y Direction =3
Spacing in X Direction = 3,5 (NO UTILIZAR EL PUNTO, UTILIZAR LA COMA)
Spacing in Y Direction = 7,0
Marcar Custom Grid Spacing
Con el botón Grid Labels puede modificar los nombres de los ejes:
Escriba 1, 2…. en la casilla Beginning X ID. En bubble loc: Bottom
Escriba C, B, A en Beginning Y ID
Marque left para la dirección Y, luego OK
Haga click en Edit Grid … Escoja la opción Display Grid as Spacing
Modifique Bubble Size a 0.7
En el cuadro Y Grid Data, modifique el valor 7.65 en la línea que corresponde aleje A por 2.1
OK
En el cuadro Story Dimensions verifique que esté marcado Simple Story Data yluego:
Marque la opción Custom Story Data y haga click en Edit Story Data. En elcuadro Story Data no se requieren cambios. Cancel.
Cierre el formulario Building Plan … haciendo click en OK
Se abren dos ventanas, una con una vista tridimensional y otra plana. Para poner enfoco una ventana haga click en cualquier lugar de la ventana. Use los botones XY, XZ,YZ y 3D, así como aquellos con una flecha hacia arriba o hacia abajo, para cambiar lavista.
7. Menú File – Save As ...
Seleccione la carpeta donde guardará su trabajo. Escriba el nombre del trabajo (sinextensión) y haga click en Guardar.
Materiales
8. Menú DEFINE – Material Properties.9. En el cuadro Define Materials marque CONC y luego haga click en Modify/Show
Material.Le cambiamos el nombre: ingresamos CONCRETO210
10. En el cuadro Material Property Data indique (todas las unidades son toneladas ymetros):
Mass per unit Volume = 2400/9.81(TENER CUIDADO CON LAS UNIDADES)
Weight per unit Volume = 2.40 Modulus of Elasticity = 15100*SQR(210)
Poisson’s ratio = 0.20
Coeff of thermal expansion = 1.E-5
Reinforcing yield stress = 42000
Concrete strength = 2100
Shear steel yield stress = 42000
En el cuadro Color escoja un gris claro.
OK.
11. En el cuadro Define Materials haga click en Add New Material
12. En el cuadro Material Property Data indique (t,m):
Material Name: MAMP
Type of Design: None
Mass per unit Volume = 0.194
Weight per unit Volume = 1.90
Modulus of Elasticity = 200000 (t/m2)
Poisson’s ratio = 0.25
Coeff of thermal expansion = 1.E-5 Shear Modulus:911749,2
33. Haga click en el botón “CreateColumns in Regionor at Clicks” (un perfil W de colorceleste con punto rojo al centro) o bien menú DRAW - Draw Line Objects -CreateColumns in Regionor at Clicks.
34. En la ventana “Properties of Objects” escoja la sección C25x90; luego haga click enlas posiciones A3y B3.
35. En la ventana “Properties of Objects” escoja C25x60 y haga click en las posic ionesA1, B1, A5, B5.
(Para correrlas columnas a la posición que desee de puede usar “Plan Offset X”, igual a +.175 en el
eje 1 e igual a -.175 en el eje 5)
36. Escoja T90x45, Angle 90 y haga click en A2, A4.
37. Nuevamente T90x45, Angle -90 y haga click en B2, B4.
38. Cambie la modalidad de dibujo haciendo click en el botón “CreateLines in Regionorat Clicks” (botón sobre el anteriormente usado) o use el menú DRAW - Draw LineObjects - CreateLines in Regionor at Clicks.
39. Escoja la sección V25x65 y haga click sobre las líneas de retícula en los ejes A y B(un total de 8 veces). Continúe con los ejes 1, 3 y 5, entre los ejes A y B.
40. Cambie la sección a V30x65 y haga click en las vigas de los ejes 2 y 4, entre losejes A y B (es decir, dibuje 2 elementos x 2 niveles).
41. Cambie el modo “Similar Stories” por “One Story”. 42. Desplace la vista en planta al techo del nivel 1, empleando el botón con flecha hacia
abajo.
43. Cambie la sección a V25x65 y haga click sobre los volados,entre los ejes B y C, enlos ejes 1 a 5.
44. Cambie la sección a V15x20 y haga click en los 4 tramos del eje C.
45. Con la tecla ESC salga de esta modalidad de dibujo.
46. Haga click en el botón Guardar (el que tiene dibujado un diskette).
Agregando Losas47. Haga click en el botón “CreateAreas at Clicks” (un cuadro celeste con punto rojo al
centro) o bien menú DRAW –DrawAreaObjects –CreateAreas at Clicks.
48. En la ventana “Properties of Objects” seleccionar LOSA20
49. Verifique que está en modo “One Story” y que la vista en planta corresponde al nivel1.
50. Haga click en los 4 paños en la zona del pasadizo, entre ejes 1 y 5, B y C.
51. En la esquina inferior derecha escoja el modo “Similar Stories”.
52. Haga click en los 4 paños entre ejes A y B.53. Salga de esta modalidad de dibujo con la tecla ESC.
54. Ponga en foco la ventana con la vista 3D y haga click en el botón para refrescar laventana (un lápiz amarillo sobre fondo gris).
55. Haga click en el botón Guardar (el que tiene dibujado un diskette).
Agregando Muros
56. Vuelva a poner en foco la ventana con la vista en planta. Verifique que está enmodo “Similar Stories”
57. Haga click en el botón “Create Walls in Region or at Clicks” (barra horizontal celestecon puntorojo al centro) o use el menú DRAW - Draw Area Objects - Create Walls inRegion or at Clicks.
58. En la ventana “Properties of Objects” seleccionar MURO25 59. Haga click en los ejes 1, 3 y 5, entre los ejes A y B.
60. Presione la tecla ESC.
61. Seleccione cada uno de los elementos de muro recientementeagregados.Puedehacerse con menú SELECT - by Area Object Type - Wall - OK. Laselección se evidencia por rectángulos con líneas segmentadas.
62. Menú EDIT – MeshAreas
63. En el cuadro Mesh Selected Areas: Mesh Quads/Triangles into 4 by 2 – OK
64. Seleccionar todo con el botón ALL65. Menú EDIT - Divide Lines
66. En el cuadro Divide Selected Lines, marcar la opción “Break at intersections withselected Lines and Points” - OK. Las vigas y columnas quedarán divididas en formaconsistente con los muros.
67. Ponga en foco la ventana con la vista 3D y haga click en el botón Set Building ViewOptions (cuadrado celeste con un check).
68. En la ventana Set Building View Options:
En el cuadro “View byColors of” marque “Materials”
En el cuadro “SpecialEffects” marque “Extrusion”.
OK
69. Haga click en el botón Guardar (el que tiene dibujado un diskette).
Apoyos
70. Ponga en foco la ventana con la vista en planta y haga click en el botón flecha haciaabajo, mostrando el plano Z = 0.
71. Seleccione todos los nudos del plano con una ventana extendible.
72. Haga click en el botón Assign Restraints (Supports) o menú ASSIGN - Joint -Restraints. Se abre el cuadro “JointRestraints”.
Marque las casillas correspondientes a los seis grados de libertad. Lo mismo seconsigue más fácilmente haciendo click sobre el botón que muestra unempotramiento.
OK.
Definición de Sistemas de Carga Estáticos
Multiplicador de peso propio (self-weightmultiplier):
El peso propio de la estructura se determina multiplicando el peso por volumen de unidad de cada
objeto que tiene propiedades estructurales por elvolumen del objeto. El peso por volumen de unidad se
especifica en las propiedades del material.
Una porción del peso propio de la estructura puede ser aplicado a cualquier compartimiento de carga
estática. El multiplicador de peso propio controlaque porción de peso propio contiene un
compartimiento de carga. Unmultiplicador de peso propio de un valor de 1 incluye el peso
propiocompleto de la estructura y del compartimiento. Un multiplicador de peso propio de 0.5 incluye
una mitad del peso propio de la estructura en esecompartimiento de carga.
74. Menú DEFINE – Static Load Cases
75. En el cuadro Define Static Load Cases:
Seleccione DEAD y cámbielo por D.
Mantenga el tipo DEAD y 1 en SelfWeightMultiplier
Haga click en Modify Load
Seleccione LIVE y cámbielo por L1.
Mantenga el tipo LIVE y 0 en SelfWeightMultiplier
Haga click en Modify Load
Escriba L2 en lugar de L1
Haga click en Add new Load
Escriba L3 en lugar de L2 Haga click en Add new Load
84. Nuevamente OK para cerrar el cuadro Define Response Spectrum.
85. Menú DEFINE – Mass Source.
86. En la ventana “Define Mass Source”
Marque “From Loads”
Haga click en el botón ADD
Despliegue la lista Load y escoja L1
A la derecha escriba 0.5
Haga click en el botón Add.
Cambie L1 por L2 y nuevamente Add.
Cambie L2 por L3, escriba 0.25 en lugar de 0.5, y nuevamente Add.
OK
87. Haga click en el botón Guardar (el que tiene dibujado un diskette).
CombinacionesLos cuatro tipos de combinaciones son las siguientes:•ADD (Additive) Aditivas: Son agregados los resultados desde loscompartimientos o paquetes de carga
incluidos.
•ENVE (Envelope) Envolvente: Los resultados de los compartimientos o paquetes de carga incluidos sonenvueltos para encontrar los valores mínimosy máximos.
•ABS (Absolute) Absoluta: Son agregados los valores absolutos de losresultados de los compartimientos
o paquetes de cargaincluidos.
•SRSS: Es computada la raíz cuadrada de la suma de los cuadradosdel resultadode los compartimientos
y paquetes de carga.
88. Menú DEFINE –Combinations
89. En el cuadro Define Response Combinations, Click en Add New Combo
90. En el cuadro ResponseCombination Data:
91. Click en Add New Combo (COMB1) y en el cuadro LoadCombinationData:
Desplegar la lista Combination Type y seleccionar Add.
Desplegar la lista Case Name y escoger D. En la casilla Scale Factor escribir 1.4. Add.
Desplegar la lista Case Name y escoger L1. En la casilla Scale Factor escribir1.4. Add.
OK
92. Repita definiendo las restantes combinaciones:
93. Finalmente, Add New Combo y en el cuadro Response Combination Data:
Combination Name: E
Desplegar la lista Load Combination Type y seleccionar Envelope
Desplegar la lista Case Name y escoger COMB1. En la casilla Scale Factorescribir 1. Add.
Repetir para agregar COMB2 … hasta COMB11, siempre con factor 1. OK
94. Termine la definición de combinaciones haciendo OK y haga click en el botónGuardar.
Cargas
95. Verifique que esté en foco la ventana donde se muestra una vista en planta del nivel1 (puede usar se el botón “Plan View”).
96. Seleccione las vigas de los ejes A y C.
97. Haga click en el botón Assign Frame Distributed Loading (tiene el dibujo de una vigacon cargas) o bien menú ASSIGN – Frame/LineLoads – Distributed.
98. En el cuadro Frame Distributed Loads:
Asegúrese que se indica Den la casilla Load Case Name.
Escoger Gravity en la lista desplegable para Direction.
En la casilla Unit Load ingresar 0.285
OK, con lo que se cierra el cuadro y se borra la selección.
99. Repetir para las vigas del eje B, con la carga 0.513
100. Menú Select - By Area Object Type - Floor - OK101. Haga click en el botón Assign Uniform Load o menú ASSIGN - Shell/Area Loads -
Uniform.
102. En la ventana UniformSurfaceLoadsescribir 0.1 en la casilla “Loads”. OK.
103. Seleccione los cuatro elementos de losa entre los ejes B y C.
104. Haga click en el botón Assign Uniform Load o menú ASSIGN - Shell/Area Loads -Uniform.
105. En la ventana UniformSurfaceLoads:
En “load Case Name” escoja L1 Escriba 0.4 en la casilla “Loads”
126. Haga click sobre una viga con el botón derecho del ratón – Observar tabla queindica el refuerzo para cada combinación y sección.
127. Seleccione una combinación para una sección - Haga click en el botón “Details” – Después de observar los resultados, cierre el cuadro haciendo click en la esquinasuperior derecha.
128. Haga click sobre una columna con el botón derecho del ratón – Observe la tabla.
129. Haga click en “Flex. Details” – Cierre la ventana.
Tablas de Datos y de Resultados, Gráficas
130. Para imprimir resultados use el menú FILE – PrintTables - AnalysisResults.
También puede usar el menú DISPLAY - Output Tables.131. Las gráficas pueden imprimirse directamente. Sin embargo, es mejor preparar un
archivo gráfico en formato jpg. Con tal fin, use el menú FILE - Capture Picture -CurrentWindow w/o Title Bar - Indicar nombre y carpeta -OK. En versión 7 puedecopiarla pantalla al portapapeles (ImprPant) y pegarla en otro documento. Paracambiar colores de fondo y otros use el menú OPTIONS – Colors.
PARA UN ANÁLISIS ESTÁTICO:
1.- Establecer New Model con sus respectivas unidades.2.- Editar grillas, según sea el caso3.- Definición de materiales y secciones4.- Asignación de secciones (vigas y columnas) al modelo5.- Asignación del centro de masa6.- Definir apoyos7.- Definición de diafragmas rigídos8.- Establecer casos de carga (muerta, viva, sismo)9.- Distribución de carga Muerta y Viva en Vigas (en cada piso).10.- Asignación de fuerza sísmica en los centros de masa11.- Asignar combinaciones de carga según norma.12.- Definir factor de multiplicación para carga muerta y viva. Por ejemplo paraedificaciones comunes la norma estipula 100% de la carga Muerta y 25% de la CargaViva.13.- Análisis (Analysis cases)