Modelado de Estructuras Metálicas

Construcciones Metálicas y de Madera.
Curso: 2010.
Docentes:
Profesor Titular: Ing. Gustavo Darin.
Jefe de Trabajos Prácticos: Ing. Anibal Tolosa.
Ayudante de Trabajos Prácticos: Ing. Matías Castillo.
Apunte de Modelado de Estructuras Metálicas con
Programas de Cálculo.
Autor: Ing. Matías Castillo.

1.- Objeto.
Adquirir los conceptos básicos para el modelado de estructuras metálicas en programas de cálculo para obtener a
través de los mismos las solicitaciones y deformaciones correspondientes para verificar la estructura de acuerdo al reglamento
en estudio.
2.- Descripción.
La clase se divide en dos partes a saber:
1ra Parte: A modo de introducción, se desarrollará paso por paso el modelado completo de una estructura sencilla
(pórtico plano de 2 columnas y una viga), desde la introducción de datos hasta la obtención de los resultados del análisis.
2da Parte: A partir de los conocimientos adquiridos en la 1ra Parte, se desarrollará el modelado de la nave completa,
resaltando las particularidades y en los comandos complementarios necesarios para esta estructura, la obtención e
interpretación de los resultados del análisis.
Programa utilizado: “Staad.Pro 2007.
3.- Generalidades de los Programas de Cálculo para Estructuras.
Los programas de cálculo son una herramienta muy importante para el ingeniero calculista, pero tan útil como
peligrosa si el usuario no tiene los conocimientos teóricos suficientes para:
- ingresar los datos correspondientes,
- entender los procesos de cálculo utilizados por el programa,
- evaluar los resultados obtenidos por el programa.
En general los programas de cálculo tienen en común ciertas particularidades, a continuación se enuncian algunas de
ellas:
- Geometría: donde se definen la posición de nudos e incidencia de barras o placas entre nudos. En muchos
casos son compatibles con Autocad, desde donde existe la opción de importar la geometría en extensión “.dxf”.
- Visualización: Además de los comandos típicos (3D, vistas, zoom, etc.) existen filtros de elementos según sus
características, ubicación ó “elementos seleccionados”, que ayudan a trabajar con el modelo más “limpio” según
la necesidad.
- Herramientas: Una herramienta muy común en estos programas es la de agrupación de nudos y barras. La
misma es de gran utilidad tanto para definir propiedades comunes de los elementos agrupados, para seleccionar
dichos elementos, y para evaluar los resultados obtenidos (máximos y mínimos) de los elementos del grupo.
- Propiedades: para definir materiales y secciones de las barras, utilizando base de datos predefinidos o
características definidas por el usuario.
- Especificaciones: tales como articulaciones de barras, barras que sólo toman esfuerzo axil, desviaciones de
extremos de barra respecto al nudo de incidencia, entre otras.
- Apoyos: según el tipo de base a utilizar.
- Cargas: definición de estados primarios de carga con sus respectivas acciones (cargas concentradas,
distribuidas, peso propio de los elementos modelados, etc.) y las combinaciones de los estados primarios.
- Tipo de análisis: puede ser lineal, no-lineal, de segundo orden, etc.
- Evaluación de resultados: solicitaciones, tensiones, deformaciones, reacciones, etc.
- Diseño y verificación de elementos: En base a normas de cálculo predefinidas en el programa y a parámetros
adicionales ingresados por el usuario para ser utilizados por el reglamento respectivo, el programa establece si
los elementos son aptos para las solicitaciones y/o tensiones y/o deformaciones obtenidas.
Construcciones Metálicas y de Madera
Apunte de Modelado de Estructuras con Programas de Cálculo
Curso 2010
Ing. Matías Castillo
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4.- 1ra Parte: Modelado de Pórtico Plano.
Características de la estructura a modelar.
Se trata de un pórtico plano formado por dos columnas (articuladas en la base) y una viga, cuyas dimensiones y
propiedades se indican en los esquemas correspondientes.
Se considera que el pórtico forma parte de la estructura de un edificio cuyo cerramiento lateral es metálico (fijado a las
columnas) y cuyo cerramiento de cubierta está constituido por una losa mixta (tipo steel deck) que da apoyo a una azotea de
mantenimiento. También se adopta una separación entre pórticos de 6m, y las siguientes acciones sobre la estructura:
- Peso propio (D):
o Peso de la estructura modelada.
o Peso del cerramiento lateral: 0.15kN/m2.
o Peso de la losa mixta: 3kN/m2.
- Sobrecarga de Cubierta (Lr):
o Azotea Inaccesible: 2kN/m2.
- Viento transversal (W):
o Pared Barlovento: 1kN/m2.
o Cubierta:-0.3kN/m2.
o Pared Sotavento: -0.3kN/m2.
Esquema Unifilar de la Estructura.
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Pantalla Inicial.
New Project…
1er Pantalla: explicación general.
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Geometría.
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General - Propiedades
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Asignación de Secciones.
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Crear Grupos: Tools / Create New Grup…(ó Ctrl+G).
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Beams Grup (grupo de barras)
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Botón derecho – “Structure diagrams…”
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Full Section - Vista 3D de Secciones
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Botón derecho – “Labels…”
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General / Support (apoyos).
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General / Load (cargas)
Load Cases Details – Add..
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Definición de Estados Primarios de Carga.
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Combinaciones de Carga (definido como estado primario que va a estar compuesto por una repetición de los estados primarios
ya definidos)
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Asignación de Cargas para cada estado primario.
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Asignación de estados primarios a combinaciones de carga.
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Asignación de Cargas a Barras.
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Analysis/Print: Tipo de análisis: 1er Orden “Perform Analysis” / 2do Orden “PDelta Analysis”
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Editor de Texto.
Analyze / Run Analysis…(Ctrl+F5)
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Al finalizar análisis: “Go to Post Processing Mode” Done. (Ir a pantalla de post-procesamiento, resultados del análisis).
Nota: En “Loads” se pueden filtrar los casos de cargas, en “Range” se pueden filtrar los elementos (nudos, barras, grupos, etc.)
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Para las combinaciones de Carga de Resistencia obtener:
- En cada grupo de barras:
o Máximo Momento con sus respectivos esfuerzos de Corte y Normal.
o Máximo Normal (compresión determinante) con sus respectivos esfuerzos de Momento y Corte.
- En Nudos de Apoyos.
o Reacciones con el mismo criterio de combinación.
Para las combinaciones de Carga de Servicio Obtener deformaciones máximas horizontales y verticales:
Gráficos de solicitaciones en barras:
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5.- 2da Parte: Modelado de Nave Industrial.
Características de la estructura a modelar.
Nave industrial con las características generales dadas por la cátedra y particulares según el grupo correspondiente.
Procedimiento:
- Abrir proyecto nuevo (en este caso la estructura es espacial “Space”).
- Geometría: Ubicar nudos extremos de la cabreada (extremo de cordón inferior, extremos de cordón superior y cumbrera).
- Crear barras de cordón inferior y cordón superior.
- Agregar los nudos correspondientes a montantes y diagonales aplicando el comando para insertar nudos con la opción “Add
n Points”:
Completar cabreada con diagonales y montantes.
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Seguir agregando los nudos correspondientes a la geometría del pórtico, se pueden agregar copiando y pegando nudos ya
existentes (Ctrl+C / Ctrl+V) utilizando coordenadas globales respecto del nudo de referencia.
Completar con las barras de pedúnculos, columnas y viga auxiliar (para salvar excentricidades por apoyos sobre la columna).
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Seleccionar todo el pórtico y con el comando “Translational Repeat” (dentro de “Geometry” de la barra superior) generar la
cantidad de pórticos necesarios con la separación correspondiente según la longitud de la nave (tener en cuenta coordenada
de traslación Z y la cantidad elegida son las que se agregan a la ya existente).
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Para agregar las barras de las vigas contraviento entre los pórticos extremos, seleccionar éstos y en “View” / “View Selected
Objets Only”, filtrar estos pórticos para trabajar con mayor comodidad.
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Agregar los montantes de la viga contraviento (tanto de cubierta como del cerramiento), luego seleccionar esas barras y
agregarles un nudo en el centro, para poder agregar las diagonales correspondientes.
Copiar la viga contraviento en el otro extremo de la nave.
Agregar llaves longitudinales para “cocer” a los pórticos interiores.
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Agregar parantes cortos y largos en frente y contra frente.
Crear Grupos.
-Cordón Inferior de Cabreada.
-Cordón Superior de Cabreada.
-Diagonales de Cabreada.
-Montantes de Cabreada.
-Pedúnculo.
-Columna
-Barra auxiliar (sobre columna).
-Montante de contraviento en cubierta.
-Diagonal de contraviento en cubierta.
-Montante de contraviento en lateral.
-Diagonal de contraviento en lateral.
-Llaves.
-Parante largo.
-Parante corto.
FIN GEOMETRÍA.
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General /Property
Desde la base de datos agregar las secciones a verificar para cada tipo de barra:
-Cordón Inferior de Cabreada. 2L89x7.9 (LD35355 SP0.0159)
-Cordón Superior de Cabreada. 2L89x7.9 (LD35355 SP0.0159)
-Diagonales de Cabreada. 2L64x4.8 (LD25253 SP0.0095)
-Montantes de Cabreada. 2L64x4.8 (LD25253 SP0.0095)
-Pedúnculo. IPE240 (serie “Dutch”)
-Columna IPE500 (serie “Dutch”)
-Barra auxiliar (sobre columna). Tubo 0.5x0.5x0.01
-Montante de contraviento en cubierta. 2L89x7.9 (LD35355 SP0.0159)
-Diagonal de contraviento en cubierta. 2L89x7.9 (LD35355 SP0.0159)
-Montante de contraviento en lateral. 2L102x9.5 (LD40406 SP0.0191)
-Diagonal de contraviento en lateral. 2L102x9.5 (LD40406 SP0.0191)
-Llaves. Tubo Ø64x2mm
-Parante largo. HEB160 (serie “Dutch”)
-Parante corto. HEB160 (serie “Dutch”)
Con el botón derecho / “Structure diagrams” / “Full Section”, verificar que la posición del perfil sea la adecuada, por lo general
los parantes los ubica girados 90deg respecto de su eje
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Para corregir la posición del perfil:
En el cuadro de “Properties – Whole Structure” / “Beta Angle” / “Create Beta Angle” / “Angle in Degrees: 90”.
Luego asignarlo a las barras correspondientes.
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General / Spec
En esta parte se crean especificaciones varias tales como:
-Articulaciones para extremos de barras.
-Desplazamientos de extremos de barras con respecto al nudo de llegada o partida.
-Barras de sólo tracción, sólo compresión o inactivas.
Articulaciones (Releases): en el cuadro “Specifications - Whole Structure”/”Beam…”/”Release” agregar articulaciones en
MYyMZ (ejes locales perpendiculares al eje de la barra) para principio y para fin de barra.
Estas articulaciones deben ser asignadas a montantes y diagonales de cabreadas y contraviento (según corresponda).
También deben asignarse a extremos de cordones de cabreada según corresponda. Para el extremo superior de los parantes
agregar un nuevo Realese que libere también el esfuerzo axil de la barra (FX), para que dicho extremo sólo apoye en
horizontal sin tomar cargas verticales.
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Desplazamientos de extremos de barras con respecto al nudo de llegada o partida (offset):
Para corregir la posición del parante corto, existe esta herramienta llamada “offset”:
En el cuadro “Specifications - Whole Structure”/”Beam…”/”offset” agregar desplazamiento requerido en las coordenadas
correspondientes y sobre el extremo de barra correspondiente:
Para las “llaves” que van cociendo a los pórticos intermedios, correspondería asignarles la propiedad de “sólo tracción”
(Member Tension), que hace que la barra sólo sea capaz de transmitir esfuerzo de tracción (también utilizado para cruces tipo
“san Andrés”). Pero dado que se va a realizar un análisis de segundo orden, esta propiedad le genera errores al programa en
análisis no lineales. Como las llaves se disponen sólo a fines de arriostramiento de los pórticos intermedios, se pueden aplicar
como “inactivas” y luego considerarlas en la verificación.
En el cuadro “Specifications - Whole Structure”/”Beam…”/”Inactive” se agrega dicha propiedad la cual debe ser asignada a
todas las llaves.
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General / Support (apoyos)
En esta parte se definen todos los tipos de apoyos.
En nuestro caso existen dos tipos: Para columnas Empotrado (fixed) y para parantes Articulado (Pinned).
Nota: Los parantes cortos inciden en la base de una columna, cuyo apoyo está empotrado. Para generar la articulación en el
apoyo de los parantes cortos se le debe asignar un “release” MYyMZ en la base de la barra.
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General / Load (cargas)
Tal como en el ejemplo de la 1er Parte se deben definir los estados primarios, las combinaciones de carga para resistencia,
las combinaciones de carga para servicio, y las acciones de cada estado de carga primario, en base a la tabla resumen de
cargas del práctico anterior.
Finalmente se procede a definir el tipo de análisis (PDelta 5, correspondiente a 2do orden).
Como adicional, en el editor de texto se puede tipear debajo de la línea de análisis: “STEEL TAKE OFF ALL”. Este comando le
solicita al programa un cómputo de perfiles modelados, en donde figura para cada sección, la longitud y el peso total. Esta
tabla de cómputo se puede ver en:
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Al verificar que en la “corrida” no hay errores ni advertencias considerables, se pasa al “Post-procesamiento” de donde se
deben obtener los resultados siguientes:
- En cuanto a resistencia, para cargas últimas:
o Completar el siguiente cuadro Resumen para cada Grupo de Barras:
Grupo de Barras: …………………………………………
Combinación N (Fx+) T (Fx-) Mz Qy
nro kN kN kN·m kN
N (Fx+)
T (Fx-)
Mz
Qy
Esfuerzo
determinante
Nota1: Los esfuerzos se dan para los ejes locales de las barras donde X es el eje axil (+compresión y –tracción); Y es
el eje de menor inercia en secciones simples y el eje NO-Material en secciones armadas); Z es el eje de mayor inercia
en secciones simples y el eje Material en secciones armadas.
Nota2: Previamente se deben listar los números utilizados para las distintas combinaciones de carga.
o Completar un cuadro resumen similar para los dos tipos de apoyos (empotramiento de columnas y
articulaciones de parantes.
- En cuanto a deformaciones, para combinaciones de servicio:
o Desplazamiento vertical máximo del centro de la luz de la cabreada.
o Desplazamiento Lateral máximo a nivel superior de pedúnculo.
o Desplazamiento Lateral máximo a nivel viga carrilera (superior de columna).
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