CURSO
“ANÁLISIS Y DISEÑO DE
ESTRUCTURAS CON SAP2000”
UNIDAD DE APRENDIZAJE N° 5
ANÁLISIS DE INFRAESTRUCTURA
METÁLICA
ANÁLISIS DE INFRAESTRUCTURA METÁLICA
Unidad de aprendizaje N°5
ACERO MATERIAL
CLASIFICACIÓN DE LOS ACEROS
Por sus propiedades mecánicas
• Acero Común, también conocido como acero dulce o acero
al carbón, es un acero con bajo contenido de carbono (entre
0.12% y 0.60% en peso)
• Aceros de alta Resistencia, son aquellos que han
incrementado notablemente su punto de cedencia por
contenidos elevados de carbón (entre 1.4% y 1.7% en peso)
o por aleaciones adecuadas, sin embargo su ductilidad se ve
drásticamente disminuida.
• Aceros especiales, se fabrican con sofisticadas aleaciones
para cubrir necesidades específicas y no todos son
adecuados para su aplicación estructural.
CONCEPTO ESTRUCTURAL
Se caracteriza por un proceso creativo mediante el cual se le da forma a un
sistema estructural para que cumpla una función determinada con un grado de
seguridad razonable y que en condiciones normales de servicio tenga un
comportamiento adecuado.
Es importante considerar ciertas restricciones que surgen de la interacción con otros
aspectos del proyecto global; las limitaciones globales en cuanto al costo y tiempo de
ejecución así como de satisfacer determinadas exigencias estéticas.
Entonces, la solución al problema de diseño no puede obtenerse mediante un proceso
matemático rígido, donde se aplique rutinariamente un determinado conjunto de reglas y
fórmulas.
• Identificar y entender la
naturaleza de las cargas
(DL,LL,EL,WL, etc.)
• Seleccionar método a utilizar (LRFD o ASD) a
través del cual, los efectos de las cargas
actuantes serán afectadas (Ru o Ra).
𝜙𝑅𝑛 ≥ 𝑅𝑢
𝑅𝑛
≥ 𝑅𝑎
Ω
• Calcular la Resistencia Nominal (Rn) de los elementos, luego afectarlos
por el factor del modelo de resistencia utilizado.
IDEALIZACIÓN DE LA ESTRUCTURA
Consiste en seleccionar un modelo teórico y analítico factible de ser analizado con los
procedimientos de cálculo disponibles. Esto incluye:
a) Definir materiales y secciones a utilizar.
b) Elaboración de un modelo plano o tridimensional que representa las principales
características geométricas de la estructura, incorporando los elementos que la
conforman con sus respectivas secciones y materiales asociados tomando en
cuenta el predimensionado realizado.
c) Establecer las condiciones de unión entre los elementos y los vínculos de apoyo de
la estructura.
d) Aplicar las acciones permanentes, variables y accidentales
ESTADO LÍMITE DE AGOTAMIENTO RESISTENTE
Se encuentra relacionado con la seguridad y la capacidad donde se incluyen las
verificaciones por resistencia, estabilidad, volcamiento, colapso y cualquier otra falla
estructural que comprometa la seguridad y la vida.
Se alcanza este estado límite multiplicando las solicitaciones por sus factores de
mayoración para cuantificar la demanda y multiplicando las resistencias teóricas por sus
factores de minoración para calcular la capacidad.
El criterio fundamental para el estado límite de agotamiento resistente está dado por la
siguiente expresión simplificada:
i Qi  ji Rti
ESTADO LÍMITE DE AGOTAMIENTO RESISTENTE
i Qi  ji Rti
𝑸i =Efecto de las solicitaciones previstas no mayoradas.
𝜸i = Factor de mayoración correspondiente a la solicitación Qi., por ejemplo: las
producidas por acciones permanentes “CP”, variables “CV”. etc.
𝜸𝒊 Qi = Demanda local de resistencia o solicitaciones mayoradas (Nu, Mu, Vu) sobre la
estructura, sus miembros, conexiones o componentes correspondiente a un determinado
estado límite.
Rti =Resistencia teórica (Nt, Mt, Vt) de la estructura, sus miembros, conexiones o
Componentes
𝝋𝒊 =Factor de minoración de la resistencia teórica Rti.
𝝋𝒊 Rti =Capacidad o Resistencia.
ACCIONES Y SUS EFECTOS SOBRE ESTRUCTURAS
La acción sísmica se aplica fundamentalmente a través de un
espectro de diseño en función a varios parámetros:
1.-Tipo de Estructura
2.-Zona Sísmica
3.-Nivel de Importancia
4.-Tipo de Suelo
5.-Factor de Reducción de Respuesta
6.-Esta acción sísmica se aplica en direcciones
ortogonales (Sx , Sy)
El espectro de diseño representa las máximas respuestas de
aceleración de infinitos sistemas de 1 GDL ante una acción sísmica
tomando en consideración los parámetros antes mencionados.
COMBINACIONES DE CARGA
1) 1.4 CP
2) 1.2 CP + 1.6 CV + 0.5(CVt o N o LL)
•
•
3) 1.2 CP + 1.6(CVt o N o LL) + (CV o 0.5V)
•
•
4) 1.2 CP + 1.0V + CV + 0.5(CVt o N o LL)
•
•
5) 1.2 CP + 1.0S + CV + 0.2N
6) 0.9 CP + 1.0V
7) 0.9 CP + 1.0S
•
Donde:
CP: Carga permanente
CV: Carga variable
CVt: Carga variable de techo
N: Carga de nieve
LL: Carga de lluvia
V: Carga de viento
S: Acción sísmica
TIPO DE ANÁLISIS
Análisis Estático Equivalente
Se aplica a estructuras regulares menores a 5 pisos o 15 metros donde se limita el riesgo torsional. La
distribución de fuerzas se fundamenta en la respuesta del modo principal, el cual se presenta con
una distribución triangular desde el nivel base hasta el tope de la estructura.
Método de Análisis Dinámico Espacial con Diafragma Flexible
Se aplica a estructuras espaciales que no poseen una rigidez de conjunto en el plano suficiente para
un comportamiento rígido. Los modos de vibración se dan en función a la distribución de masas y
rigidez en la edificación.
Las fuerzas máximas probables por sismos, para cada dirección, se obtienen de superponer las
fuerzas de cada modo empleando la raíz cuadrada de los valores al cuadrado (SRSS), o bien, la
combinación cuadrática completa (CQC).
TIPO DE ANÁLISIS
Método de Análisis Dinámico Espacial con Diafragma Flexible
El número mínimo de modos a considerar será el que garantice que la sumatoria de
masas participativas sea mayor o igual al 80%. Adicionalmente, debido a la incertidumbre
en la disposición real de la masa ante acciones sísmicas se considera una excentricidad
accidental en el orden del 5% del ancho de la planta perpendicular a la acción sísmica.
Esto se hace modificando gradualmente la distribución de masas en cada nivel. En
cualquier caso, será necesario revisar que el corte basal dinámico sea igual o mayor al
estático.
TIPO DE ANÁLISIS
Método de Análisis Dinámico con Acelerogramas
Se aplica a estructuras planas y/o espaciales con un análisis mediante procedimientos de
integración directa (paso a paso) para acelerogramas representativos de la acción sísmica
esperada en el sitio. Para el análisis se utilizarán al menos 4 acelerogramas o pares de
acelerogramas. Si el análisis incluye la acción simultánea de las dos componentes horizontales del
sismo, los acelerogramas a usar deberán tener un coeficiente de correlación adecuado.
La respuesta dinámica probable se obtendrá de promediar las respuestas obtenidas para todos los
acelerogramas del conjunto. En el análisis se deberán incluir los efectos P-Δ. Los movimientos
sísmicos a utilizar en el análisis podrán ser acelerogramas registrados o simulados mediante
procedimientos reconocidos. El espectro elástico promedio de los acelerogramas del conjunto
deberá aproximarse conservadoramente al espectro de diseño para el valor R=1.0, en el rango de
los períodos propios de la estructura.
ACCIÓN SÍSMICA
Los mapas de zonificación sísmica, en la mayoría
de los países, tienen un período de retorno de 475
años correspondientes a sismos muy intensos, a
través de los cuales se elaboran los espectros de
respuesta elásticos, tomando en cuenta el tipo de
suelo, tipo de estructura y nivel de importancia. El
uso de un espectro de respuesta elástico implica
diseñar las estructuras para que soporten estos
sismos intensos sin ningún daño, lo cual es muy
costoso y poco conveniente en el desarrollo de
proyectos, por las dimensiones resultantes de los
miembros resistentes
ACCIÓN SÍSMICA
Considerando la baja probabilidad de que ocurran
éstos sismos intensos durante la vida útil de la
estructura, las normas proponen el uso de un
espectro de diseño inelástico, aplicando una
reducción de las fuerzas sísmicas, asumiendo que la
misma superará su rango elástico y disipará energía
para lo cual se requerirá de que sea
suficientemente dúctil
ESPECTRO DE DISEÑO INELÁSTICO
El espectro de diseño inelástico se obtiene
de forma directa aplicando un factor de
reducción, conocido como factor “R”, al
espectro de respuesta elástico. Las normas
proponen valores máximos del factor “R” en
función al sistema estructural
El factor “R” consta del efecto simultáneo de
3 parámetros: ductilidad, sobre- resistencia y
redundancia. Cada parámetro conforma un
componente del factor “R”, y se puede
expresar de esta manera.
NORMA ANSI/AISC
Diseño General de Miembros y
Especificaciones Generales
Diseño Sismorresistente
de Edificaciones
Conexiones Precalificadas a
Momento
SISTEMAS ESTRUCTURALES
PÓRTICOS RESISTENTES A MOMENTO
Son pórticos conformados por vigas y columnas sin arriostramientos, donde se tiene una respuesta
principalmente a flexión y corte. Es importante destacar que por lo general son sistemas con poca
rigidez lo cual afecta en el control de derivas de piso, pero a su vez pueden desarrollar una elevada
disipación de energía y ductilidad, a través de una incursión inelástica estable, de acuerdo a su nivel
de desempeño.
CLASIFICACIÓN SEGÚN SU NIVEL DE DESEMPEÑO
Pórticos Especiales a Momento (SMF): Se diseñan para que sean
capaces de incursionar en el rango inelástico con una ductilidad y
disipación de energía elevada, para lo cual se requiere un estricto
control de fallas frágiles presentando el detallado sismorresistente más
exigente conforme a la Norma. Se utilizan en zonas de alta sismicidad.
SISTEMAS ESTRUCTURALES
CLASIFICACIÓN SEGÚN SU NIVEL DE DESEMPEÑO
Pórticos Intermedios a Momento (IMF): Se diseñan para que sean capaces de incursionar en el
rango inelástico con una ductilidad y disipación de energía moderada, para lo cual se requiere
limitar la generación de fallas frágiles, presentando un detallado sismorresistente considerable
conforme a la Norma. Se utilizan en zonas de moderada sismicidad
Pórticos Ordinarios a Momento (OMF): Se diseñan para que tengan principalmente un
comportamiento elástico, con una capacidad limitada de incursionar en el rango inelástico y disipar
energía. El detallado se presenta de forma convencional sin mayores exigencias sísmicas. Se utilizan
en zonas de baja sismicidad.
SISTEMAS ESTRUCTURALES
PÓRTICOS CON ARRIOSTRAMIENTOS EXCÉNTRICOS
Son pórticos conformados por vigas, columnas y
sistemas de barras diagonales o riostras que
intencionalmente se colocan formando una
excentricidad en una zona intermedia o extremo de la
viga, donde se inducen fuerzas de corte y momentos
flectores elevados. El tramo de viga donde se produce
la excentricidad se le denomina “Enlace” y en dicha
zona se genera la cedencia por corte o flexión, con una
importante incursión inelástica y disipación de energía,
mientras el resto de los elementos se diseñan para que
permanezcan en el rango elástico.
PÓRTICOS CON ARRIOSTRAMIENTOS EXCÉNTRICOS
Los sistemas con pórticos arriostrados excéntricamente
se desarrollaron originalmente en Japón en la década
de los 70 (Fujimoto 1972 y Tanabashi 1974) y
posteriormente en los Estados Unidos para la década
de los 80 (Popov, 1987). Actualmente es una opción
muy utilizada en estructuras importantes debido a que
representan una solución excelente para el diseño
sismorresistente al combinar una rigidez elevada por
las riostras y la disipación de energía proveniente de la
incursión inelástica en las zonas de los “Enlaces”.
PÓRTICOS CON ARRIOSTRAMIENTOS EXCÉNTRICOS
En términos generales se recomienda imponer la excentricidad en
las zonas intermedias de las vigas y no cerca de las columnas, a fin
de evitar que se originen fuerzas muy grandes en la junta vigacolumna afectando la estabilidad de la estructura y el diseño de la
conexión que tendría que ser precalificada a momento como lo
dispuesto para pórticos especiales a momento.
PÓRTICOS CON ARRIOSTRAMIENTOS EXCÉNTRICOS
Son pórticos conformados por vigas, columnas y
sistemas de barras diagonales o riostras, donde se
tiene una respuesta principalmente a tracción y
compresión. Es importante destacar que por lo
general son sistemas con mucha rigidez lo cual
facilita en el control de derivas de piso, pero a su vez
la disipación de energía y ductilidad es moderada
condicionada por el pandeo de las riostras a
compresión. Este tipo de sistemas son ideales para
estructuras de muchos niveles y en estructuras
dimensiones considerables en planta ya que aporten
estabilidad rotacional
PÓRTICOS CON ARRIOSTRAMIENTOS EXCÉNTRICOS
Uno de los parámetros principales para elegir la
configuración adecuada de riostras en una
determinada estructura, es el ángulo que se
forma respecto a la horizontal. La eficiencia de
las riostras, en términos del aporte de rigidez,
se produce cuando el ángulo se encuentra entre
40° y 50° siendo el valor ideal 45°. Por ejemplo,
para los casos donde la altura de piso es
aproximadamente la mitad de la luz libre de la
viga, se recomienda la configuración de X
(2 PISOS).
CLASIFICACIÓN SEGÚN SU NIVEL DE DESEMPEÑO
Pórticos Especiales (SCBF):
Se diseñan para que sean capaces de incursionar de forma estable en el rango inelástico con una
ductilidad y disipación de energía moderada, para lo cual se requiere limitar la generación de
fallas frágiles,presentando un detallado sismorresistente considerable conforme a la Norma.
Pórticos Ordinarios (OCBF):
Se diseñan para que tengan principalmente un comportamiento elástico, con una capacidad
limitada de incursionar en el rango inelástico y disipar energía. El detallado se presenta de forma
convencional sin mayores exigencias sísmicas. Se utilizan en zonas de baja sismicidad.
EJERCICIO 01
DESARROLLAR UN DISEÑO DE EDIFICIO DE ACERO CON LOS SIGUIENTES DATOS
• El proyecto es galpón, de
instalaciones industriales.
• Pórticos ordinarios resistentes a
momento OMF R=4
• Velocidad de viento 75 km/h
• Columnas W21x147
• Vigas W18 x 86
• Vigas de arriostramiento W18x71
• Correas TR 100x50x3mm
EJERCICIO 01
DESARROLLAR UN DISEÑO DE EDIFICIO DE ACERO CON LOS SIGUIENTES DATOS
•
•
•
•
•
Altura de vigas arriostres 3.5m
Plancha TR de 11 kgf/m2
Carga viva 30kgf/m2
Perfiles de acero A36
F’y=2560 kgf/cm2
EJERCICIO 01
TP
TL
Tx
Ccal
Cmin
Z
U
S
Cx
Vx
0.60
2.00
0.3000
2.50
0.50
0.45
1.00
1.05
2.50
Rx
4.00
Psismico
Vest
80% Vest
Vdin
F.E.
135.28
39.95
31.96
34.20
1.00
CALCULO DE LA CARGA DE VIENTO
h=
V=
h/10
(h/10)^0.22
9.5
75
0.95
0.98877891
Km
Vh=
74.158418/h
2. Carga exterior de viento
DIRECCION X-X
FACTOR C
CARGA
V1X
0.3
8.24920644 (Kg/m2)
V2X
-0.6
-16.4984129 (Kg/m2)
cuando el viento es perpendicular
V3X
-0.6
-16.4984129 (Kg/m2)
V4X
0.3
8.24920644 (Kg/m2)
C/R≥0.125
Z2
"A2"
S2
R = Ro . Ia .
Ip
Tn
Tn
Tn
Tn
TP
TL
Ty
Ccal
Cmin
Z
U
S
Cy
Vy
0.60
2.00
0.3000
2.50
0.50
0.45
1.00
1.05
2.50
Ry
4.00
R = Ro . Ia . Ip
Psismico
Vest
80% Vest
Vdin
F.E.
135.28
39.95
31.96
36.54
1.00
Tn
Tn
Tn
Tn
C/R≥0.125
Z2
"A2"
S2
COMBINACIÓN DE CARGAS APLICADAS
U=
U=
1.4D
1.4D
U=
U=
1.2D+1.6(L)+(0.5Lr
1.2D+1.6(L)+(0.5Lr
)=
)=
U=
U=
1.2D+1.6(L)+(0.5S
1.2D+1.6(L)+(0.5S
)=
)=
U=
U=
1.2D+1.6(L)+(0.5R)=
1.2D+1.6(L)+(0.5R)=
U=
U=
1.2D+1.6(Lr)+0.5(L)=
1.2D+1.6(Lr)+0.5(L)=
U=
U=
1.2D+1.6(Lr)+0.8(W)=
1.2D+1.6(Lr)+0.8(W)=
U=
U=
1.2D+1.6(S)+0.5(L)=
1.2D+1.6(S)+0.5(L)=
U=
U=
1.2D+1.6(S)+0.8(W)=
1.2D+1.6(S)+0.8(W)=
U=
U=
1.2D+1.6(R)+0.5(L)=
1.2D+1.6(R)+0.5(L)=
U=
U=
1.2D+1.6(R)+0.8(W)=
1.2D+1.6(R)+0.8(W)=
U=
U=
1.2D+1.3W+0.5L+0.5Lr=
1.2D+1.3W+0.5L+0.5Lr=
U=
U=
1.2D+1.3W+0.5L+0.5S=
1.2D+1.3W+0.5L+0.5S=
U=
U=
1.2D+1.3W+0.5L+0.5R=
1.2D+1.3W+0.5L+0.5R=
U=
U=
1.2D+1E+0.5(L)+0.2(S)=
1.2D+1E+0.5(L)+0.2(S)=
U=
U=
1.2D-1E+0.5(L)+0.2(S)=
1.2D-1E+0.5(L)+0.2(S)=
U=
U=
(0.9)(D)+1.3(W)=
(0.9)(D)+1.3(W)=
U=
U=
(0.9)(D)-1.3(W)=
(0.9)(D)-1.3(W)=
U=
U=
(0.9)(D)+1.0(E)=
(0.9)(D)+1.0(E)=
U=
U=
(0.9)(D)-1.0(E)=
(0.9)(D)-1.0(E)=
DEFINIENDO SECCIONES
VIGA
COLUMNA
VIGA ARRIOSTRE
CORREA
DEFINIENDO DIAFRAGMA RÍGIDO
DEFINIENDO MASA
DEFINIENDO ESPECTRO DE ACERELACIONES
DEFINIENDO SISMO DINÁMICO
LECTURA DE DESPLAZAMIENTOS Y FUERZAS INTERNAS