Modelado y análisis estructural

ENFOQUES COMUNES Y DIFERENCIAS ENTRE VARIOS TIPOS DE ANÁLISIS

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Uso de software para la verificación de la estabilidad de los marcos estructurales metálicos.

Modelado y análisis

Ejemplo de modelado de un marco estructural 3D en acero

Ejemplo de modelo de un marco estructural

El análisis estructural es el proceso de calcular las fuerzas, los momentos y las desviaciones a las que deben someterse los miembros de una estructura.

Existe una amplia gama de herramientas de análisis que ofrecen velocidad, precisión y economía de diseño ; 3-D, modelado FE, marco de portal a medida, software de diseño de viga celular o viga de placa ahora están ampliamente disponibles. Modelado de acciones catenarias, desempeño de miembros conformados en frío o análisis de rejillas : todo esto ahora es un lugar común para las estructuras, donde el análisis manual es imposible. Los métodos de análisis cada vez más sofisticados continúan mejorando la precisión con la que se puede predecir el comportamiento de las estructuras.

Modelado y diseño de una estructura metálica mediante uso de software en Bogotá, Colombia

Modelar el comportamiento en el mundo real de una estructura metálica, se hace más fácil mediante el uso de un software generador de modelos completos, con herramientas generadoras de carga que permiten la verificación de la estabilidad del marco junto con las verificaciones de los miembros. El diseño se puede realizar según los estándares británicos o europeos.

Este artículo explica los conceptos básicos de los enfoques comunes de modelado estructural y describe las diferencias entre varios tipos de análisis. Se hace hincapié en la verificación de modelos y resultados de análisis para garantizar que se obtenga una estructura segura y económica al final del proceso de diseño.

Comprender el comportamiento estructural

Se reconoce que con la presencia universal del análisis por computadora, una comprensión intuitiva se vuelve cada vez más importante, tanto en la creación de modelos de análisis como de manera crítica, en la evaluación de los resultados del análisis, como la forma desviada, la distribución de momentos o la distribución de reacciones.

Ejemplo de división de un marco estructural en una serie de modelos 2d

Ejemplo de división de un cuadro en una serie de modelos 2D

El análisis numérico de las estructuras se basa en la comprensión del diseñador del comportamiento estructural, la elección del software apropiado, el método de análisis y, sobre todo, el uso del juicio de ingeniería para saber cuándo las respuestas son razonables.

Un enfoque intuitivo utiliza habilidades de razonamiento más amplias y dinámicas para evaluar el comportamiento de cualquier estructura en particular. Los principios clave involucrados en el desarrollo de este tipo de comprensión del comportamiento estructural son :

  • Considerar la forma deformada de una estructura.
  • Utilizar sistemas simples estáticamente determinados, de modo que se pueda obtener una buena apreciación del comportamiento de la estructura real con todas sus complejidades.
Diseño de marcos estructurales repetidos en un edificio de varios pisos en Bogotá, Colombia

Es útil utilizar las opciones gráficas del software para revisar los datos de entrada, como las cargas, y los datos de salida, como las desviaciones y los momentos de flexión. La mayoría de los edificios ortodoxos son una serie de marcos bidimensionales repetidos y, a menudo, es conveniente modelar de esta manera. La mayoría de las secciones de acero son altamente eficientes en una dirección primaria y las conexiones resistentes al momento al eje menor pueden ser difíciles y costosas.

Sin embargo, muchos edificios de varios pisos están modelados en 3-D, ya que es muy efectivo copiar y repetir pisos similares junto con patrones de carga definidos. El modelado tridimensional también es útil para analizar marcos complejos y para catalogar el tamaño, tipo, ubicación, etc. de los miembros dentro de todo el modelo de construcción.

Las estructuras reforzadas con conexiones nominalmente fijadas son más rentables. El análisis puede acomodar un diseño continuo, pero las conexiones son más caras.

Modelado

Forma de los elementos estructurales en el marco de una construcción metálica en Bogotá, Colombia

En general, es conveniente considerar primero la forma del marco del edificio en direcciones ortogonales, e identificar :

  • Los elementos estructurales primarios que forman los marcos principales y transfieren la carga horizontal y vertical a los cimientos.
  • Los elementos estructurales secundarios, como vigas secundarias o correas , que transfieren las cargas a los elementos estructurales primarios.
  • Los otros elementos, como el revestimiento o las particiones, que solo transfieren cargas a los elementos estructurales primarios o secundarios.

Al mismo tiempo, se debe identificar cualquier restricción en la forma del edificio, ya que puede dictar cómo se modela la estructura y, en particular, qué marcos (si los hay) se pueden arriostrar y cuáles se deben modelar como rígidos.

El objetivo para el diseñador es (dentro de las limitaciones de la especificación y cualquier requisito arquitectónico) proporcionar una estructura segura y económica.

La definición de una estructura económica no es sencilla, y puede ser necesario investigar varias formas de enmarcado antes de emprender el análisis y diseño detallados. Sin embargo, es posible proporcionar una guía general basada principalmente en el entendimiento de que las conexiones resistentes al momento son más caras que las conexiones fijadas nominalmente. Por lo tanto, en orden de preferencia, el diseñador debe considerar :

  • Construcción 'simple', es decir, marcos arriostrados con juntas nominalmente fijadas.
  • Marcos rígidos en una dirección, con lazos y refuerzos en la otra.
  • Marcos rígidos en dos direcciones.

Debe enfatizarse que, en la mayoría de los casos, hay más de una opción para la forma del marco del edificio.

Edificio de varios pisos

Las estructuras de varios pisos con marco estructural en acero generalmente se analizan y diseñan para dos tipos de carga : la gravedad y la lateral.

Para una estructura donde las rejillas de piso se repiten, se pueden lograr mayores niveles de repetibilidad dentro de la estructura y, por lo tanto, un diseño más económico, analizando la estructura en el siguiente orden :

  1. Analice y diseñe la estructura para resistir las acciones de gravedad (peso propio, acciones impuestas, cargas de nieve, etc.). Esta estructura comprende pisos, a menudo cubiertas de piso compuestas que actúan de manera compuesta o no con vigas y columnas de acero. Se recomienda modelar :
    1. Un piso típico primero: garantizar que se usen tamaños de miembros comunes siempre que sea posible para maximizar la estandarización.
    2. Utilizando este piso, repítalo dentro del edificio tantas veces como sea posible; diseñe todos los pisos y las columnas para la combinación de acciones por gravedad.
  2. Analice y diseñe las acciones laterales (derivadas del viento y las imperfecciones iniciales, etc.) y diseñe el sistema resistente a la carga lateral. Este sistema puede consistir en uno o más de los siguientes :
    • Marcos arriostrados : con bahías que contienen tirantes diagonales o arriostramientos cruzados que resisten la carga lateral en tensión y / o compresión.
    • Marcos continuos con bahías que resisten la carga lateral debido a la acción del marco y las conexiones resistentes al momento entre vigas y columnas.
    • Paredes de corte de hormigón que típicamente son elementos planos o grupos de elementos planos (núcleos) que resisten la carga lateral en corte o corte y flexión, respectivamente.
    Modelo de estructura metálica de un edificio de varios pisos

    Se realizan una serie de suposiciones simplificadoras al modelar el edificio para su análisis :

    • Los elementos de análisis están alineados con la parte superior de las vigas de acero en los pisos, ignorando así los pequeños desplazamientos en la línea central entre vigas de diferente profundidad.
    • El desplazamiento horizontal de las vigas de borde suele ser lo suficientemente pequeño como para ser ignorado.
    • Todas las columnas generalmente se modelan como co-lineales a lo largo de su línea central.
    • Las pequeñas compensaciones de columnas de las cuadrículas generalmente se ignoran en el diseño
    • Para asegurarse de que toda la carga lateral es transportada por los marcos arriostrados o de momento ( estructura continua ), es típico suponer que todas las columnas que no están en bahías arriostradas o marcos de momento se fijan en cada nivel del piso, para que no atraigan cargas laterales.

Cerchas y vigas de celosía

Modelo estructural de un edificio con cerchas

Modelo de un edificio con cerchas

Hay una variedad de modelos que pueden usarse para el análisis de una cercha. Éstos incluyen :

  • Marcos articulados.
  • Cuerdas continuas y miembros internos articulados, es decir, web, miembros.
  • Marcos rígidos.

Se prefieren las dos primeras opciones, ya que en la mayoría de las situaciones no habrá momentos de flexión que se incluyan en las comprobaciones de capacidad conjunta y el diseño de la conexión.

Los marcos articulados con pasador son la opción tradicional para modelar cerchas, mientras que la suposición de cuerdas continuas y elementos internos articulados con clavija generalmente refleja mejor el comportamiento en la práctica. En este caso, las cuerdas resisten cierta flexión debido a la carga de los "puntos del panel", pero se comportan principalmente como una viga continua cargada axialmente. Las partes internas solo se cargan axialmente; los momentos debidos al peso propio generalmente se ignoran. El modelo de análisis debe reflejar este comportamiento.

Cerchas para la construcción de partes internas de estructuras metálicas en Bogotá, Colombia

En cerchas que usan secciones huecas, a pesar del hecho de que las partes internas están completamente soldadas a las cuerdas, este tipo de conexión aún se asume. Esto se debe a las paredes relativamente delgadas de las secciones huecas y a las grandes deformaciones que pueden soportar tales conexiones.

La tercera opción generalmente solo es particularmente relevante para cerchas que utilizan la acción Vierendeel. En este caso, el comportamiento de la cercha, en la forma en que resiste las cargas, es a través de la acción de flexión tanto en las cuerdas como en los internos. Esto tiene la ventaja de que se omiten las partes internas diagonales, pero la eficacia de la sección hueca se pierde un poco, ya que la cercha Virendeel actúa como un marco estructural continuo y se desarrollan momentos significativos en los extremos de los miembros. Las conexiones entre las secciones huecas tienen que ser más rígidas ya que deben estar diseñadas para resistir los momentos de flexión debido a la acción de Vierendeel.

Marcos estructurales de portal

Modelo y análisis de un edificio con marco estructural de portal

Modelo de un edificio con marco estructural de portal

El software propietario dedicado al análisis de marcos de portal generalmente implica un análisis elástico para verificar la desviación de la estructura en el estado límite de servicio, y un análisis de plástico elástico para determinar las fuerzas y momentos en la estructura en el estado límite final. Estos métodos han reemplazado en gran medida al método de plástico rígido que no puede dar cuenta de los importantes efectos de segundo orden en los marcos del portal.

Tres alternativas para el ' análisis global plástico ':

  • Análisis de plástico elástico con secciones y / o juntas plastificadas como bisagras de plástico (referido a continuación como el 'método de plástico elástico').
  • Análisis plástico no lineal considerando la plastificación parcial de miembros en zonas plásticas. Este método no se usa generalmente en el diseño de marco de portal comercial.
  • Análisis plástico rígido descuidando el comportamiento elástico entre bisagras.

El enfoque del análisis anterior es presuponer que los efectos de segundo orden deben ser permitidos en el diseño, excepto en circunstancias especiales cuando los efectos de segundo orden son lo suficientemente pequeños como para ser ignorados.

Modelado del alero en una estructura metálica en Bogotá, Colombia

Modelado del alero

Las ancas se utilizan con frecuencia en los aleros y las conexiones de vértice de un marco estructural de portal. Por lo general, el software de análisis no tiene la facilidad de usar un 'elemento cónico'. En tales casos, es aceptable modelar miembros cónicos como una serie de elementos prismáticos uniformes. La suposición de que el eje neutro permanece en la línea central de la viga y no desciende hacia la cajuela es segura, ya que tiende a sobrestimar tanto la compresión en la brida inferior como la cizalla.

Miembros especiales

Los miembros de trama normales generalmente se modelan como uno (o más) elementos rectos, con propiedades de sección asociadas. Las vigas universales, columnas universales, tes, ángulos, canales y secciones huecas se modelan sobre esta base. Las secciones no estándar pueden requerir un enfoque diferente.

Modelado de miembros curvos usando segmentos rectos para construcciones metálicas en Bogotá, Colombia

Modelado de miembros curvos usando segmentos rectos

Miembros curvos

Los miembros curvos se modelan como una serie de elementos cortos y rectos. El modelado mediante el uso de más elementos más cortos mejora la precisión de los resultados. Como guía general, una longitud de arco correspondiente a 15° produce resultados razonables.

Miembros cónicos

Los miembros cónicos se pueden modelar simplemente como una serie de elementos cortos, cada uno con una inercia correspondiente a la profundidad del miembro en esa posición. En general, tres de estas secciones ofrecen una precisión razonable al modelar miembros cónicos.

Almenadas (acastilladas) y miembros celulares

Muchos programas de análisis para trabajos de acero, proporcionan bibliotecas de propiedades de sección estándar, y también pueden incluir las propiedades de sección para vigas almenadas (acastilladas). Esto permitirá que el diseñador estructural incluya miembros almenados (acastillados) en un modelo de marco de la misma manera que las secciones estándar. Si bien los momentos de flexión del marco producidos por este enfoque generalmente serán satisfactorios, el diseñador estructural debe tener en cuenta que la desviación de un almenado (acastillado) o viga celular será mayor que la predicha por la teoría de flexión del ingeniero. Esto se debe al efecto Vierendeel y a la desviación de corte.

Modelo estructural de un edificio construído con vigas celulares en Bogotá, Colombia

Modelo de un edificio construído con vigas celulares

Como regla general, la desviación de una viga acastillada o celular puede tomarse como un 25% mayor que la viga de profundidad equivalente sin aberturas. La desviación adicional debido al efecto Vierendeel se vuelve más significativa con múltiples aberturas largas. Como regla general, la desviación de una viga con múltiples aberturas largas se puede tomar como un 35% mayor que la de la viga de profundidad equivalente sin aberturas.

En algunas circunstancias, el diseñador estructural puede concluir que la desviación adicional puede ser ignorada o no es crítica. Alternativamente, se puede tener en cuenta la desviación adicional durante el diseño y la verificación de los miembros.

Articulaciones

Modelado 3D de juntas y conexiones en una estructura metálica en Bogotá, Colombia

Modelado de juntas y conexiones

Dentro de un marco, el comportamiento de la junta afecta la distribución de fuerzas y momentos internos y la deformación general de la estructura. Sin embargo, en muchos casos, el efecto de modelar una junta continua como completamente rígida, o una junta simple como perfectamente fijada, en comparación con modelar el comportamiento real, es lo suficientemente pequeño como para ser descuidado.

Los programas de análisis elástico solo consideran la rigidez de la articulación y es conveniente definir tres tipos de la siguiente manera :

  • Simple : una junta que se puede suponer que no transmite momentos de flexión. A veces se lo denomina conexión fijada, también debe ser lo suficientemente flexible como para considerarse como una clavija para fines de análisis.
  • Continuo : una junta que es lo suficientemente rígida para que se descuide el efecto de su flexibilidad en el diagrama de momento de flexión del marco. Algunas veces referido como 'rígido'; son, por definición, resistentes al momento.
  • Semi-continuo : una junta que es demasiado flexible para calificar como continua, pero no es un pasador. El comportamiento de este tipo de articulación debe tenerse en cuenta en el análisis del marco.

Las juntas se clasifican de acuerdo con su rigidez para el análisis y también deben tener la resistencia suficiente para transmitir las fuerzas y los momentos que actúan en la junta como resultado del análisis.

Clasificación de las articulaciones

Clasificación de las articulaciones

Al clasificar la rigidez de una articulación :

  • Juntas simples : se describen como 'nominalmente fijadas' en lugar de fijadas, ya que se acepta que se transfiere algún momento. En esta definición, estos momentos son insuficientes para afectar negativamente el diseño del miembro.
  • Juntas continuas : se describen como 'juntas rígidas'.
  • Juntas semicontinuas : son 'semirrígidas' y generalmente también tienen 'resistencia parcial'.

Soportes

La interacción entre la base y el terreno de apoyo es compleja. El modelado detallado de la relación suelo-estructura es probablemente demasiado complicado para el análisis general. Las conexiones de base se dividen en las mismas categorías de pernos nominalmente, semirrígidos y rígidos que otras juntas.

Bases fijas y basculantes

Cuando se usa un pin o balancín verdadero, la rigidez rotacional es cero. El uso de tales bases rara vez se justifica en la práctica, ya que se debe considerar cuidadosamente los problemas relacionados con la transferencia de corte a la base y la estabilidad temporal de la columna durante el levantamiento de la estructura.

Ejemplo de una base nominalmente fijada

Ejemplo de una base nominalmente fijada

Bases fijadas nominalmente

Si una base de columna está nominalmente anclada y el diseño de la base supone que el momento base es cero, se recomienda que :

  • Cuando se utiliza el análisis global elástico para establecer las fuerzas y los momentos de diseño en el estado límite último, se debe suponer que la base está anclada.
  • Al verificar la estabilidad del marco estructural, es decir, al verificar si el marco es susceptible a efectos de segundo orden, se puede suponer que la base tiene una rigidez igual al 10% de la rigidez de la columna (que puede tomarse como 4EI / L).
  • Al calcular las desviaciones en el estado límite de servicio, se puede suponer que la base tiene una rigidez igual al 20% de la rigidez de la columna.
Bases nominalmente rígidas

Si una columna está rígidamente conectada a una base adecuada, se deben aplicar las siguientes recomendaciones :

  • La rigidez de la base debe limitarse a la rigidez de la columna cuando se utiliza un análisis global elástico para establecer las fuerzas y los momentos de diseño en el estado límite último.
  • Se puede suponer que la base es rígida al calcular las desviaciones en el estado límite de servicio.
  • Para el análisis global elástico-plástico, la rigidez supuesta de la base debe ser consistente con la capacidad de momento supuesta de la base, pero no debe exceder la rigidez de la columna. Se puede suponer cualquier capacidad de momento base entre cero y el momento plástico de resistencia de la columna, siempre que la base y la placa base estén diseñadas para resistir un momento igual a la capacidad de momento supuesta, junto con las fuerzas obtenidas del análisis.
Bases semirrígidas

Se puede suponer una rigidez base de hasta el 20% de la rigidez de la columna en el análisis global elástico, siempre que la base esté diseñada para los momentos y fuerzas obtenidos de este análisis.

Modelado de rigidez de base

El software a medida normalmente tiene la facilidad de seleccionar los valores recomendados de rigidez base. A menos que se utilice dicho software, la rigidez de la base puede modelarse mediante el uso de una rigidez de resorte o miembros falsos en la base de la columna.

Al evaluar la sensibilidad del cuadro a los efectos de segundo orden ( calculando αcr ), se puede modelar una base fijada nominalmente con una rigidez de resorte igual a 0.4 EI col / L col . Al calcular las desviaciones del marco en el estado límite de servicio, se puede modelar una base fijamente nominal con una rigidez de resorte igual a 0.8 EI col / L col .

Modelado de la base de la fijación por un miembro ficticio

Modelado de la base de la fijación por un miembro ficticio

Si el programa de computadora no puede acomodar un resorte giratorio, la fijación de la base puede ser modelada por un miembro ficticio de rigidez equivalente como se muestra a continuación.

Al modelar una base nominalmente fijada, el segundo momento de área ( I y ) del miembro ficticio debe tomarse como :

  • I y = 0.1 I y, col al evaluar la estabilidad del marco.
  • I y = 0.2 I y, col al calcular deflexiones en SLS.

En ambos casos, la longitud del miembro ficticio es L = 0.75 L col , y se modela con un soporte fijado en el extremo.

Los resultados del análisis con el uso de miembros ficticios no deben usarse explícitamente, ya que la provisión de un soporte adicional afectará las reacciones de la base. La reacción de la base vertical debe tomarse como la fuerza axial en la columna.

Verificación del modelo

La parte más importante en cualquier ejercicio de análisis es revisar el resultado para confirmar que se ha utilizado un modelo estructural apropiado y que las cargas aplicadas son correctas. ¡Esto no es para confirmar que la ejecución del análisis es correcta! Cuando se utiliza un software probado, el análisis será correcto: el ejercicio consiste en verificar la entrada del diseñador estructural.

El software frecuentemente contiene valores predeterminados para ciertos datos de entrada. La fijación de soporte y las condiciones de restricción son ejemplos comunes de datos que pueden tener valores predeterminados. Los valores predeterminados están destinados a evitar la necesidad de que el ingeniero estructural ingrese datos, y representan la condición 'habitual', que puede ser modificada por el usuario.

El diseñador estructural debe tener debidamente en cuenta los valores predeterminados asumidos por el programa, y ​​asegurarse de que son apropiados o modificar el valor en consecuencia. Todos los datos de entrada, ya sean predeterminados o de entrada del usuario, siguen siendo responsabilidad del diseñador. Los valores predeterminados son comunes tanto en el análisis como en el software de diseño.

Las preguntas que el diseñador debe hacer al revisar la salida del software de modelado estructural incluyen :

Programa predeterminado

¿Son correctos? ¿Son apropiadas las condiciones predeterminadas para los detalles físicos y la carga del marco?

Cargando

Visto gráficamente, ¿las cargas en cada caja de carga parecen correctas? ¿Hay elementos sin carga? ¿Las cargas en algunos elementos parecen ser órdenes de magnitud diferentes de otros? ¿Se aplican las cargas en la orientación correcta?

Forma desviada

¿Es correcta la forma desviada? ¿La estructura se ha desviado como se esperaba, y es el orden de la desviación general como se esperaba?

Diagrama de momento de flexión

¿Es la forma del diagrama de momento flector como se esperaba? ¿Se muestran los momentos en que los lanzamientos habrían sido apropiados? ¿La envolvente general de un miembro equivale a la calculada por un enfoque simplista, típicamente wL² / 8 o WL / 4?

Reacciones

Comprobando a mano el cálculo, ¿las reacciones totales proporcionadas en la salida (vertical y horizontalmente) equivalen a las cargas aplicadas? ¿Las reacciones citadas para diferentes casos de carga no factorizados difieren en órdenes de magnitud? ¿La distribución de carga a los soportes es la esperada?

Rigidez de primavera

¿Los valores de rigidez de resorte asumidos para el análisis son apropiados para los miembros tal como fueron diseñados?

Cerchas

Si la armadura es simplemente soportada y transporta una carga distribuida uniformemente, ¿las fuerzas de cuerda máximas equivalen a wL² / 8, dividido por la profundidad de la armadura?.
¿El componente vertical del miembro interno final equivale a la reacción final vertical?.
¿Son los desplazamientos de la forma y el orden correctos? En el modelo de análisis, ¿un extremo de la armadura es libre de moverse longitudinalmente?.
¿Los miembros redundantes en los extremos de la armadura (si están incluidos en el modelo) atraen carga, o han sido liberados?.

Análisis de una estructura

Para estructuras de construcción comunes, el análisis se refiere a determinar los desplazamientos de construcción junto con las fuerzas internas y los momentos que resultan de la carga aplicada. Los resultados se determinan combinando matemáticamente la rigidez estructural del modelo de análisis junto con las acciones aplicadas.

Simplificaciones asumidas

El modelo analítico de la estructura generalmente se crea definiendo la geometría idealizada, las propiedades del material y los soportes estructurales. Asumir miembros perfectamente rectos es común, sin embargo, este no es siempre el caso. A continuación, se crea el modelo de carga que define la ubicación, las magnitudes y las direcciones de las acciones en la estructura. Estas acciones generalmente se agrupan en situaciones de diseño por tipo, por ejemplo, permanente, variable, viento y nieve, etc. Finalmente, se crean combinaciones de acciones que suman las acciones en las situaciones de diseño multiplicándolas por factores relevantes como se define en los estándares de diseño.

Cuando las propiedades del material no son lineales, para elementos de tensión solamente o soportes de compresión solamente, se requiere un análisis 'no lineal'. De manera similar, si las cargas no son estáticas, por ejemplo, la carga dependiente del tiempo de una máquina o un espectro de aceleración para modelar un terremoto, se requerirá un historial de tiempo o un análisis del espectro de respuesta.

Además de las idealizaciones de modelado comunes, como asumir materiales perfectamente elásticos, miembros rectos, propiedades de sección consistentes, acciones aplicadas en un punto o distribuidas uniformemente, también hay idealizaciones y simplificaciones de análisis.

Para determinar las fuerzas internas y los momentos en el marco de un edificio, se debe tener en cuenta lo siguiente (si es significativo) :

  • Efectos P- Δ de segundo orden : efectos de geometría deformada que introducen fuerzas adicionales causadas por la deformación del marco.
  • Efectos P- δ de segundo orden : efectos de geometría deformada que introducen fuerzas adicionales causadas por la deformación del miembro.
  • Imperfecciones globales en la estructura, por ejemplo, la 'inclinación' de columnas fuera de plomada.
  • Imperfecciones locales en los miembros, por ejemplo, arco inicial del miembro.
  • Estrés residual en los miembros.
  • Deformaciones flexionales, cortantes y axiales.
  • Comportamiento conjunto.

Análisis a mano

os cálculos necesarios para obtener las fuerzas de corte y los momentos de flexión en vigas simplemente soportadas forman la base de muchos otros cálculos. En general, solo el análisis más simple se realiza a mano: el software es generalizado.

Ejemplo de orientación de diseño para marcos rígidos en estructuras en Bogotá, Colombia

Ejemplo de orientación de diseño para marcos rígidos

No es necesario utilizar software al diseñar columnas o vigas simples. Los cálculos manuales también son útiles para el dimensionamiento inicial de marcos o vigas continuas. Los detalles sobre los cálculos manuales se pueden encontrar en muchos libros de texto.

Análisis por software

Ejemplo de software de diseño para estructuras en Bogotá, Colombia

Ejemplo de software de diseño de estructuras

Hay muchos paquetes de análisis disponibles actualmente en el mercado. Ofrecen una amplia gama de características y capacidades de análisis. La mayoría de los programas de análisis realiza análisis elásticos , pero algunos también ofrecen análisis de plástico o plástico elástico.

El software de análisis es aplicable a una amplia gama de formas estructurales : edificios, puentes , torres, mástiles, estructuras de tiendas de campaña, etc. Algunos programas incluyen la instalación para diferentes tipos de estructuras, como cerchas, donde los nodos están todos fijados o marcos de portal, que permita el modelado de aleros y las posiciones de sujeción con facilidad. Por lo general, el ingeniero debe definir la geometría de la estructura, los tamaños de los miembros, los soportes y las acciones antes de que se pueda ejecutar el análisis.

La tendencia moderna se está moviendo hacia el análisis como un subconjunto de 'software de diseño'. Un usuario crea un 'modelo físico' en el software de diseño que define los miembros y las conexiones, el software selecciona los tamaños iniciales para los miembros en función de las reglas generales de ingeniería y luego crea un modelo de análisis automáticamente.

Muchos programas de análisis también ofrecen cierta capacidad de diseño, sin embargo, para el diseño de elementos particulares, como los diseñadores de pisos de concreto o compuestos, a menudo utilizan un software especializado a medida destinado únicamente al diseño de estos componentes.

Tipos de elementos

Los paquetes de análisis tienen una gama de diferentes tipos de elementos. Algunos de los más comunes son :

  • Elementos inactivos, que no se utilizan en el análisis.
  • Elementos lineales como viga, armadura, elemento de enlace o elemento de viga rígido aplicable a todos los tipos de análisis.
  • Elementos no lineales tales como elementos de tensión / compresión solamente, cables, resortes no lineales o elementos de separación utilizados solo en análisis no lineales.
  • Elementos 2D como membranas, placas o conchas.

El software específico para el diseño de acero generalmente tiene bibliotecas de materiales y tipos de miembros predeterminados, por lo que a medida que se selecciona el miembro, sus propiedades se asocian automáticamente.

Conexión de una junta rígida y una conexión fija

Conexión de una junta rígida y una conexión fija

Articulaciones

Por lo general, las juntas se configuran como fija, rígida o de resorte. En este último caso, se solicita al usuario que ingrese la rigidez del resorte giratorio. Algunos programas pueden tener valores predeterminados estándar predeterminados, por ejemplo, los valores de rigidez base.

Tipos de análisis

La mayoría del software disponible comercialmente ofrece una multitud de tipos de análisis. Se pueden desglosar en una serie de 'clases' que se describen a continuación :

  • Análisis estático : se utiliza para determinar los desplazamientos nodales, las desviaciones del elemento junto con las fuerzas, momentos y tensiones del elemento. Esta es la forma más común para el análisis de estructuras de edificios.
  • El análisis dinámico, también llamado análisis de vibración, se utiliza para determinar las frecuencias naturales y las formas de vibración correspondientes.
  • Análisis de pandeo : se utiliza para determinar los modos y los factores de carga asociados para el pandeo y evaluar si la estructura es propensa al pandeo a una carga mayor o menor que la que se ha aplicado.
  • Análisis del espectro de respuesta : se utiliza en situaciones de terremoto para aplicar un espectro de aceleración a una estructura y determinar a partir de esto las cizallas de diseño y los momentos en los elementos.
  • Análisis de historial de tiempo : se utiliza para aplicar carga dependiente del tiempo a una estructura.

En el diseño de la mayoría de las estructuras de edificios, los únicos tipos de análisis que pueden usarse son el análisis de primer orden (lineal estático) y el análisis de segundo orden (P-delta estático); este último es para estructuras que son susceptibles a efectos de segundo orden.

Análisis de primer orden

En el análisis de primer orden, se supone que la rigidez de la estructura es constante y no se ve afectada por los cambios en la geometría de la estructura cuando se carga. Este es el supuesto estándar del análisis lineal-elástico de primer orden.

El principio de superposición se aplica a este enfoque. Cuando el modelo de análisis sigue siendo el mismo, los resultados de los análisis de diferentes conjuntos de acciones aplicadas se pueden sumar y los resultados de las situaciones de diseño individuales se pueden escalar. Los resultados del análisis son proporcionales a las acciones aplicadas.

Análisis de segundo orden

En el análisis de segundo orden, la rigidez efectiva de la estructura cambia por la acción de las cargas sobre ella. Ejemplos de esto son las estructuras de cable, donde un cable se vuelve aparentemente más rígido a medida que se endereza. El principio de superposición no se aplica, ya que los efectos de las acciones interactúan.

Los efectos de segundo orden, a menudo llamados efectos P-delta, se ilustran comúnmente al considerar los desplazamientos, fuerzas y momentos adicionales que surgen de la aplicación de acciones en una estructura deflectora. Estos se conocen como efectos de segundo orden.

En algunas circunstancias, se puede utilizar un análisis de primer orden para aproximar los resultados de un análisis de segundo orden, mediante técnicas como el Método de oscilación amplificada, que es adecuado para el análisis de cuadros elásticos por computadora.

Efectos de segundo orden
Efectos de segundo orden en la estructura resultantes

Efectos P- δ (P-'poco' delta)

Los efectos de segundo orden son efectos no lineales que ocurren en cada estructura donde los elementos están sujetos a una carga axial. P-delta es en realidad solo uno de los muchos efectos de segundo orden. Es un 'efecto' genuino que está asociado con la magnitud de la compresión axial aplicada (P) y un desplazamiento (delta).

Hay dos tipos de efectos de segundo orden :

  • P- Δ (P-'Big 'delta) - un efecto de estructura resultante del desplazamiento articular.
  • P- δ (P-'poco' delta) - un efecto de miembro resultante de la deformación en la geometría del miembro.

Los efectos de segundo orden aumentan las desviaciones, los momentos y las fuerzas más allá de los calculados por el análisis de primer orden. La sensibilidad a los efectos de segundo orden debe evaluarse para cada estructura diseñada.

Efectos en una estructura de marco de portal en Bogotá, Colombia

Efectos P- Δ y P- δ en un marco de portal

Cuando los efectos de segundo orden son significativos, hay dos opciones posibles :

  • un análisis riguroso de segundo orden (es decir, en la práctica, utilizando un software de análisis de segundo orden apropiado).
  • un análisis aproximado de segundo orden (es decir, un análisis de primer orden modificado con la asignación adecuada para efectos de segundo orden).

En el segundo método, también conocido como 'análisis de primer orden modificado', las acciones aplicadas se amplifican, para permitir efectos de segundo orden mientras se usan cálculos de primer orden.

Curva típica tensión deformación para acero estructural en construcciones metálicas en Bogotá, Colombia

Curva típica tensión-deformación para acero estructural.

Análisis elástico

Los programas de análisis elásticos son los más utilizados para el análisis estructural y se basan en la suposición de que el material que se está modelando es elástico lineal. Por lo tanto, el esfuerzo limitante es el valor correspondiente a la deformación de 0.002, hasta el cual el acero se comporta como Un material lineal. El valor apropiado del módulo elástico debe proporcionarse en el análisis.

Análisis de plásticos

El análisis plástico se basa en la formación y rotación de bisagras, por lo tanto, requiere secciones de Clase 1. Las rotaciones plásticas de las bisagras ocurren en las secciones donde el momento de flexión alcanza el momento plástico o la resistencia de la sección transversal a niveles de carga por debajo de la carga ULS completa.

El análisis plástico generalmente se usa solo para el diseño de marcos de portal, donde da como resultado un marco más económico que un análisis elástico. Esto se debe a que el análisis plástico permite una redistribución relativamente grande de los momentos de flexión en todo el marco, debido a las rotaciones plásticas de las bisagras. Esta redistribución 'alivia' las regiones altamente estresadas y permite movilizar la capacidad de las partes subutilizadas del marco.

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Perfiles Estructurales en Acero

Perfiles estructurales en Acero en Bogotá, Colombia. Montajes, Ingeniería y Construcción. MIC SAS.

Formas estructurales estándar: productos de acero de alta calidad

Las estructuras de acero inoxidable pueden proporcionar formas estructurales laminadas en caliente y fusionadas con láser.

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Unidades Métricas. Guía de Diseño Métrico

Unidades métricas y guía de diseño métrico para estructuras metálicas en Bogotá, Colombia. Montajes, Ingeniería y Construcción. MIC SAS.

Beneficios de la métrica y aceptación internacional

Un ingeniero civil o diseñador estructural en la actualidad, debe estar en la aptitud de hacer su trabajo asi sea en unidades inglesas o métricas.

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Perfiles de Lamina Delgada de Acero

Perfiles de Lamina Delgada de Acero en Bogotá, Colombia. Montajes, Ingeniería y Construcción. MIC SAS.

Doblado de chapa metálica : métodos y consejos de diseño

El doblado es una de las operaciones de fabricación de chapa más comunes. Este método se utiliza para deformar un material a una forma angular.

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Pernos de Anclaje para Cimientos

Pernos de Anclaje para Cimientos de Estructura Metálica en Bogotá, Colombia. Montajes, Ingeniería y Construcción. MIC SAS.

Los pernos de anclaje correctamente instalados aseguran los edificios de metal prediseñados a los cimientos

La solidez y la fuerza de un edificio de metal es tan sólida como los cimientos sobre los que descansa. La base proporciona estabilidad y evita movimientos extremos del edificio para proteger el edificio y su contenido de daños o fallas.

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Cimientos para Construcciones de Acero

Cimientos para Construcciones de Acero en Bogotá, Colombia. Montajes, Ingeniería y Construcción. MIC SAS.

Construcción de cimientos para sistemas estructurales de acero

Una base bien diseñada es particularmente importante para cualquier edificación de metal. Garantiza la durabilidad y previene la mayoría de las formas de deterioro de la construcción en el futuro, como fugas o inundaciones, paredes que se mueven o se inclinan y daños estructurales.

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Preguntas frecuentes sobre Cimientos

Preguntas frecuentes sobre cimientos para proyectos de construcción de estructura metálica en Bogotá, Colombia. Montajes, Ingeniería y Construcción. MIC SAS.

Los mejores proyectos de construcción comienzan con una buena base

Si la base no es correcta, habrá un impacto negativo en la durabilidad y longevidad de su edificio de metal, dos de los beneficios más comunes que recibe al construir con acero.

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Comparar y contrastar para un diseño correcto de los Cimientos

Comparar y contrastar para un diseño correcto de los Cimientos de Estructuras Metálicas en Bogotá, Colombia. Montajes, Ingeniería y Construcción. MIC SAS.

Las Bases o Cimientos no son de "talla única"

El diseño correcto de los cimientos de la construcción de metal depende del suelo, el sitio, el tamaño de la edificación que se va a construir y el sistema de construcción de metal que se está erigiendo.

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Seleccionando el tipo de Cimentación adecuada

Seleccionando el tipo de Cimentación adecuada, para la construcción de estructuras en acero en Bogotá, Colombia. Montajes, Ingeniería y Construcción. MIC SAS.

La selección de un tipo particular de cimiento se basa en una serie de factores

La base debe tener una profundidad adecuada para evitar daños por heladas. Para cimientos como pilares de puentes, la profundidad de los cimientos debe ser suficiente para evitar el socavamiento.

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Pasos para la colocación de los Cimientos

Pasos para la colocación de Cimientos Estructurales en Construcciones Metálicas en Bogotá, Colombia. Montajes, Ingeniería y Construcción. MIC SAS.

Sentar las bases de su edificación estructural metálica es un proceso de 7 - 8 pasos

Se recomienda una base sólida para cualquier esfuerzo en la vida, y las edificaciones de acero no son la excepción.

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Propiedades del Acero Estructural

Propiedades del Acero Estructural para el montaje de construcciones metálicas en Bogotá, Colombia. Montajes, Ingeniería y Construcción. MIC SAS.

Sus propiedades resultan tanto de su composición química como de su método de fabricación

Los estándares del producto definen los límites de composición, calidad y rendimiento, y estos límites son utilizados o presumidos por diseñadores estructurales.

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El Acero es el material de construcción más seguro

El Acero es el material de construcción más seguro para estructuras en Bogotá, Colombia. Montajes, Ingeniería y Construcción. MIC SAS.

El uso de acero para su próximo proyecto de construcción

El contratista general, es el principal responsable de todas las cuestiones peligrosas y de seguridad en el lugar de trabajo.

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Fabricación de los Componentes de Acero en Estructuras

Fabricación de los Componentes de Acero en Estructuras en Bogotá, Colombia. Montajes, Ingeniería y Construcción. MIC SAS.

La fabricación es el proceso utilizado para la manufactura de los componentes de acero

El marco generalmente utiliza secciones estándar fácilmente disponibles que se compran a la acería o al accionista de acero.

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Costo del Acero Estructural

Costo del Acero Estructural para edificaciones industriales de construccion metalica en Bogotá, Colombia. Montajes, Ingeniería y Construcción. MIC SAS.

El costo es una consideración fundamental en la selección del material y la forma del marco estructural

Esta selección debe basarse en los costos específicos del proyecto, y el desafío para el consultor de costos es reconocer y conciliar las fluctuaciones en los precios de los materiales en relación con los datos de precios de licitación devueltos.

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Planificación de costos en las Etapas de Diseño

Planificación de costos en las Etapas de Diseño de una estructura metálica en Bogotá, Colombia. Montajes, Ingeniería y Construcción. MIC SAS.

Decisiones sobre el material de la estructura

A medida que el diseño se desarrolla y hay más información disponible, la metodología de planificación de costos cambia y es posible cuantificar los materiales clave.

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Diseñando en Acero para la Seguridad

Diseñando en Acero para la Seguridad en la construcción y montaje de estructuras en Bogotá, Colombia. Montajes, Ingeniería y Construcción. MIC SAS.

Consideraciones especiales contra desastres naturales

El mayor beneficio del acero cuando se construye para resistir desastres naturales es su durabilidad. El acero es fuerte pero liviano, lo que le permite diseñar para la seguridad.

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Metal vs. Hormigón

Construcciones de ingeniería civil en metal y hormigón en Bogotá, Colombia. Montajes, Ingeniería y Construcción. MIC SAS.

¿Son los edificios metálicos tan duraderos como el hormigón?

La construcción con sistemas de construcción de metal prefabricados o prediseñados continúa ganando popularidad.

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Los Beneficios de construir en Acero

Los Beneficios de construir en Acero Estructural en Bogotá, Colombia. Montajes, Ingeniería y Construcción. MIC SAS.

El Acero se puede utilizar para todo

Sin acero, una ciudad entera podría ser destruida por un huracán o devorada por el fuego. Sin acero, los terremotos nos obligarían a reconstruir cada vez que un fuerte temblor hiciera temblar el suelo.

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La Seguridad será siempre, lo primero y lo último

La Seguridad será siempre, lo primero y lo último. Montajes, Ingeniería y Construcción. MIC SAS.

Mantener un sitio de construcción seguro

La siguiente es una lista de las 10 áreas problemáticas más frecuentes incluidas en las citas anuales de OSHA...

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Salud y Seguridad en los Procesos de Construcción

Salud y Seguridad en los procesos de construcción de estructuras metálicas en Bogotá, Colombia. Montajes, Ingeniería y Construcción. MIC SAS.

Las encuestas de la industria demuestran constantemente que el acero es la opción de material más segura

Los diseñadores están obligados a considerar si sus esquemas se pueden construir, usar y desmantelar de manera segura.

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Prevención contras caídas: lo que necesita saber

Seguridad para la prevención contra caídas en la construcción de estructuras metálicas en Bogotá, Colombia. Montajes, Ingeniería y Construcción. MIC SAS.

Las caídas son la principal causa de accidentes laborales

No cometa el error de permitir que uno de sus empleados sea víctima de un accidente evitable.

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Mejorando el Plan de Gestión de Riesgos

Plan para la gestión de riesgos en la construcción de estructuras en Acero en Bogotá, Colombia. Montajes, Ingeniería y Construcción. MIC SAS.

5 Pasos para mejorar el Plan de Gestión de Riesgo

La planificación previa a la operación es su oportunidad de ver su organización como un todo e identificar riesgos potenciales.

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Pasos para seguir en cuanto a Seguridad

Pasos aseguir en cuanto a la Seguridad en la Construcción de Estructuras Metálicas en Bogotá, Colombia. Montajes, Ingeniería y Construcción. MIC SAS

Un accidente grave puede desencadenar una reacción en cadena

No ignore los siguientes pasos de seguridad en sus lugares de trabajo...

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Mantenerse seguro en construcciones en climas cálidos

Protección contra el calor en la construcción de estructuras metálicas en Colombia. Montajes, Ingeniería y Construcción. MIC SAS.

Los contratistas deben ser conscientes de los efectos del sol y el calor en sus empleados.

Proteger a sus empleados de los efectos de la exposición excesiva al sol, el calor y la deshidratación mantendrá su proyecto en marcha según lo programado.

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Construcción de Estructuras en Acero

Construcción de estructuras en acero en Bogotá, Colombia. Montajes, Ingeniería y Construcción. MIC SAS.

Planificación de construcción de una estructura metálica

Para lograr las aspiraciones del cliente en cuanto a costos, programas y calidad, la planificación de la construcción debe comenzar desde el principio del proceso de diseño.

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