Diseño Sísmico de Edificios de Hormigón Reforzado

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Contenido
1.
Entrada de Propiedades de Materiales y Secciones .................................................................... 4
2.
Crear Modelo ........................................................................................................................... 5
3.
Entrada de Condiciones de Limite ........................................................................................... 16
4.
Carga de Data de Entrada ....................................................................................................... 16
5.
Análisis................................................................................................................................... 30
6.
Entrada de Diseño .................................................................................................................. 31
7.
Salida de Diseño ..................................................................................................................... 41
1
Diseño Sísmico de Edificios de Hormigón Reforzado
Rezumen
Este problema ejemplo tiene por objetivo demostrar el diseño de un edificio de hormigón reforzado
sometido a cargas de piso, las cargas de viento y cargas sísmicas.
Descripción
Datos Sísmicos de Diseño
- Sistema dual (especiales muros estructurales de hormigón reforzado con marco de momento especial)
en la dirección transversal
- Marco de momento especial en la dirección longitudinal
- Asignado a una zona de alta actividad sísmica
Metodología
- Análisis de Espectro de Respuesta
- Análisis P-Delta
Modelo
Figura 1 : Modelo de Edificio de Hormigón Reforzado
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Figura 2 : Plan de Piso Típico
Figura 3 : Sección Longitudinal
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Procedimiento de Diseño
1. Entrada de Propiedades de Materiales y Secciones
Materiales
- Hormigón = 4,000 psi (Concrete fc’ = 4,000 psi )
- Reinfuerzo = 60,000psi ( Reinforcement fy = 60,000 psi)
Seccion
- Columnas Perimetrales 24×24 in. (Edge columns 24×24 in.)
- Columnas Interiores 30×30 in. (Interior columns 30×30 in).
- Viga 20×24 in (Beams 20×24 in).
-Paredes 18 in. (en-el-plano y fuera-de-plano) (Walls 18 in. (In-plane & Out-of-plane))
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Figura 4 : Entrada de Propiedades de Materiales y Secciones
2. Crear Modelo
Unidades : Distancia > pies
(Units : Length > ft)
Fija UCS a el plano X-Y
Origen: 0, 0 ,16
Activa el Cambio de Dirección de Vista > OK
(Set UCS to X-Y Plane)
(Origin : 0, 0 , 16)
(Change View Direction > (ON))
Fija / Agrega la Malla de Líneas
Nombra la Red : 2F
(Set Line Grid)
(Grid Name = 2F)
Agrega Líneas en el Plano X
Selecciona la opción “Relativa” en ventanilla Grid Lines
(Add X – Grid Lines)
(Relative > ON)
Escribe ‘7@26’ > OK
Agrega Líneas en el Plano Y
Selecciona la opción “Relativa” en ventanilla Grid Lines
(Add Y – Grid Lines)
(Relative > ON)
Escribe ‘3@23’ > OK
Selecciona Agregar/Modificar Líneas de Malla
Define la Malla
(Add/Modify Grid Lines)
(Define Grids)
Oprime los botones para activar las líneas de mallas (Line Grid, Line Grid Snap
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Figura 5 : Crear Líneas Red
Figura 6 : Malla en Plano X-Y
Genera el Plano de Piso
Presiona y Activa:
Esconder (Hidden)
de Elemento (Element Number)
Numero de Nudos (Node Number)
Numero
Crea Elementos (Create Elements)
Bajo ventanilla Element Type uno escoge el tipo de elemento
Selecciona General Beam / Tapered Beam para escoger Vigas y Vigas Conicas
Bajo Ventanilla Section Name
Selecciona 3 : Beam para escoger Vigas
Por último, dibuja los elementos (partes) como enseña la Figura 7
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Figura 7 : Plano de Piso
Genera las Columnas
Presiona
para cambiar las coordenadas a GCS
Presiona
para Seleccionar Todo
Presiona
para Extrudir los Elementos
(Select All)
(Extrude Elements)
Bajo ventanilla Extrude Type
Selecciona Node --> Line Element para convertir nudos a elementos de línea
Activa la opcion Reverse I-J > (ON)
Bajo ventanilla Element Type
Selecciona Beam para escoger las Vijas
Bajo ventanilla Material
Selecciona 1 : Grade C4000 para escoger el material
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Bajo ventanilla Section
Selecciona 1 : Edge Column para escoger la sección Columnas Perimetrales
Bajo la ventanilla denotada dx, dy, dz
Escribe 0, 0, -16 para darle dirección y distancia de las columnas generadas
Oprime
para activar
Figura 8: Columnas Generadas
Cambia las Propiedades de las Columnas Interiores
En la ventanilla de menú Work selecciona la tabulación Properties seguido por escogiendo
Section : 1 : Edge Column = Active para activar las propiedades de las secciones Columnas
Perimetrales
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Después, oprime
Display, selecciona la ventanilla de propiedades (Properties) y activa la
opción Property Name (on) para que muestren el tipo de elementos. Presiona
Escoge la vista Top View la cual te da un ángulo de vista desde arriba
Selecciona el botón
Select Window para seleccionar elementos creando una caja.
Dibuja una caja sobre las columnas interiores como enseña la figura 10 para seleccionarlos.
Selecciona la ventanilla Work, luego selecciona Properties, seguido por oprimiendo Section =
2 : Interior Column y arrastra en mouse y suelta en la ventana del modelo.
Figura 9 : Vijas Inactivate
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Figura 10 : “Drag y Drop”o Arrastrar y Soltar las Columnas Interiores
Generación la Paredes
Oprime y desactiva
Oprime y activa
para esconder la imagen 3-D
para ver los números de nudos
(Hidden OFF)
(Node number ON)
Oprime
Display, y bajo la ventanilla Property, desactiva Property Name para quitar los
nombres do los miembros de la estructura (OFF)
Oprime
Select Window para seleccionar objetos como muestra la figura 11.
Oprime
Active para activar los elementos seleccionados
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Oprime
Create Elements para crear nuevos elementos
En el menú, bajo la ventanilla Element Type, selecciona Wall para escoger pared.
Activa la opción Membrane
Verifica que en la ventanilla Wall ID, estén seleccionados Auto Inc. y el numero 1
Bajo la ventanilla Material Name, selecciona 1:Grade C4000 para escoger el material.
Bajo la ventanilla Thickness, selecciona 1:1.5000, esto determina el grosor de la pared.
Activa la opción Intersect Node (on) para que los nudos intercepten.
Presiona la ventanilla Nodal Connectivity y luego selecciona los nudos como muestra la figura
12. En nuestro caso los Nudos son numerados 50, 42, 10, y 18. Usted tal vez tenga diferente
numeración pero asegure que sean los nudos en la misma posición que muestra la figura 12.
Presiona
Select Single del menú principal y escoge Wall Element 1 como muestra la
figura 13. Este botón te permite elegir elementos uno por uno.
Presiona
Translate Element y bajo la ventanilla Mode escoge Copy, bajo la ventanilla
Translation seleciona Equal Distance (dx, dy, dz) y escribe 130, 0, 0
Oprime
para trasladar el elemento de pared en el plano X
Selecciona el numero 1 bajo Wall ID Increment y presiona
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Figura 11 : Ubicación de Elementos de la pared
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Diseño Sísmico de Edificios de Hormigón Reforzado
Figura 12 : Conectividad de los nudos de los Elementos de Pared
Figure 13 : Generación de Elementos de Pared
Generación de Edificio
Presiona
para Seleccionar Todo
(Select All)
En el menú principal , selecciona Model, seguido por Building, seguido por Building
Generation
En la ventanilla de Number of Copies escribe 11 para copiar el piso 11 veces.
En la ventanilla de Distance (Global Z) escribe 12 para designar la distancia entre cada piso
Presiona
seguido por
13
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Figura 14 : Generación de Edificio
Generación de Data por Piso
En el menú principal, selecciona Model, seguido por Building, seguido por Story
Presiona
seguido por
14
y luego
Diseño Sísmico de Edificios de Hormigón Reforzado
Figura 15: Generación de Data Por Piso
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Diseño Sísmico de Edificios de Hormigón Reforzado
3. Entrada de Condiciones de Limite
Se asume que las partes bajas de las columnas están fijas.
el menú principal , selecciona Model, seguido por Boundary, seguido por Supports
Selecciona y activa las opciones D-ALL (ON) y R-ALL (ON)
Oprime
Select Window para seleccionar objetos de la base como muestra la figura 16.
Figure 16 : Soporte de Limite
4. Carga de Data de Entrada
Seleciona Load del menú principal seguido por Static Load Cases para asignar data de
cargas estaticas.
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Agrega las siguientes cargas como muestra la figura 17, presionando
que agregas otra.
cada vez
-Dead Load (Carga Muerta)
- Live Load
(Carga Viva)
- Wind Load (X-direction) (Carga de Viento en dirección X)
- Wind Load (Y-direction) (Carga de Viento en dirección Y)
- Earthquake Load (X-direction, Eccentricity direction-Positive) (Carga Sísmica positiva en
dirección X)
- Earthquake Load (X-direction, Eccentricity direction-Negative) (Carga Sísmica negativa
en dirección X)
- Earthquake Load (Y-direction, Eccentricity direction-Positive) (Carga Sísmica positiva en
dirección Y)
- Earthquake Load (Y-direction, Eccentricity direction-Negative) (Carga Sísmica negativa
en dirección Y)
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Figura 17: Carga de Data de Entrada
Peso Propio
Seleciona Load del menú principal seguido por Self Weight para asignar la carga de peso
propio.
Bajo la ventanilla Self Weight Factor assigna el valor de -1 en el axis Z y presiona
Figura 18 : Carga de Peso Propio
Cargas de Piso
Seleciona Load del menú principal seguido por Assign Floor Loads para asignar la carga de
piso.
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- Name > Typical Floor : DL = -30 psf, LL = -75 psf
(carga de piso típico)
- Name > Roof Level : DL = -10 psf, LL = -20 psf
(carga de techo)
Seleciona Load del menú principal seguido por Assign Floor Loads para asignar la carga de
piso:
- Load Type > Typical Floor
- Two Way Distribution
(Distribución en dos direcciones)
- Copy Floor Load > (on)
- Axis > z (on)
- Distance > 10@12
- Assign Nodes Defining Loading Area > (1, 8, 32, 25)
nudos de las esquinas como muestra la figura 19).
(Asigna al modelo seleccionando los
Seleciona Load del menú principal seguido por Assign Floor Loads para asignar la carga de
techo:
- Load Type > Roof Level
- Copy Floor Load > (off)
- Assign Nodes Defining Loading Area > (386, 387, 417, 410) (Asigna al modelo seleccionando
los nudos de las esquinas del último piso).
Presiona
y luego
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Figura 19 : Assigna Cargas de Piso
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Diseño Sísmico de Edificios de Hormigón Reforzado
Figura 20 : Distribucion Carga de Piso
Cargas de Viento
Selecciona Load del menú principal seguido por Lateral Loads para asignar la carga de viento
laterales:
- Load Case Name > WX
(Carga de Viento en dirección X)
- Wind Load Code > IBC2000 (ASCE7-98) (Código de Carga de Viento)
- Simplified Procedure > (on)
- Basic Wind Speed > 85 mile/h
(Velocidad de Viento)
- Importance Factor > 1
(Factor de Importancia)
- Exposure Category > B
(Categoria de Exposicion)
- Scale Factor in Global X > 1
- Scale Factor in Global Y > 0
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Diseño Sísmico de Edificios de Hormigón Reforzado
Presiona
seguido de la data para carga de viento en dirección Y
- Load Case Name > WY
- Scale Factor in Global X > 0
- Scale Factor in Global Y > 1
Presiona
Presiona
y luego
Figura 21 : Entrada de Cargas de Viento
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Diseño Sísmico de Edificios de Hormigón Reforzado
Convertir Peso de Modelo y Cargas a Masa
En el menú principal, selecciona Model, seguido por Structure Type
Bajo la sección Structure Type selecciona 3-D
Bajo la sección Conversion of Structure Self Weight into Masses selecciona Convert to X,Y
En la ventanilla Gravity Acceleration esribe 32.719 (pies / sec^2)
Figura 22: Convertir Peso de Modelo y Cargas a Masa
En el menú principal, selecciona Model, seguido por Masses, seguido por Load to Masses
para convertir las cargas a masa. Llena la ventana siguiendo la figura 23.
- Mass Direction > X, Y (on)
- Load Type for Converting > All (on)
- Gravity > 32.1719 (ft/sec2)
- Load Case > DL
- Scale Factor > 1
- Load Case > LL
- Scale Factor > 0.25
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Figura 23: Convertir Cargas a Masa
Cargas Sísmicas Estáticas
Selecciona Load del menú principal seguido por Lateral Loads seguido por Static Seismic
Loads para asignar la carga sísmicas estáticas. Llena las ventanillas con la siguiente
información.
Load Case Name > EXP
(Assigna nombre a carga en direccion x positivo)
- Seismic Load Code > IBC2000 (ASCE7-98)
(Assigna el código)
- Seismic Design Category > E
(Assigna la categoría)
- Site Class > C
(Assigna classe de sitio)
- Ss = 1.0
- S1 = 0.3
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- Importance Factor (I) = 1
- Period (Code) > X-Dir. = 1.2 ; Y-Dir. = 0
- Response Modification Coef. (R) > X-Dir. = 8 (Special moment frame),
modificacio de reacción en dirección X, con marco de momento especial)
(Coefficiente de
Y-Dir. = 8 (Dual system: special reinforced concrete
structural walls with special moment frame) (Coefficiente de
modificacio de reacción en dirección Y, paredes de
hormigón reforzado con marco de momento especial)
- Scale Factor in Global X = 1
- Scale Factor in Global Y = 0
- Accidental Eccentricity in X-direction > Positive (on)
- Accidental Eccentricity in Y-direction > Positive (on)
- Load Case Name > EXN
(Assigna nombre a carga en direccion x negativo)
- Period (Code) > X-Dir. = 1.2 ; Y-Dir. = 0
- Scale Factor in Global X = 1
- Scale Factor in Global Y = 0
- Accidental Eccentricity in X-direction > Negative (on)
- Accidental Eccentricity in Y-direction > Negative (on)
- Load Case Name > EYP
(Assigna nombre a carga en direccion y positivo)
- Period (Code) > X-Dir. = 0 ; Y-Dir. = 1.2
- Scale Factor in Global X = 0
- Scale Factor in Global Y = 1
- Accidental Eccentricity in X-direction > Positive (on)
- Accidental Eccentricity in Y-direction > Positive (on)
- Load Case Name > EYN
(Assigna nombre a carga en direccion y negativo)
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Diseño Sísmico de Edificios de Hormigón Reforzado
- Period (Code) > X-Dir. = 0 ; Y-Dir. = 1.2
- Scale Factor in Global X = 0
- Scale Factor in Global Y = 1
- Accidental Eccentricity in X-direction > Negative (on)
- Accidental Eccentricity in Y-direction > Negative (on)
Presiona
y luego
Figura 24 : Entrada de cargas sísmicas estaticas
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Diseño Sísmico de Edificios de Hormigón Reforzado
Espectro de Reacción a Cargas
Selecciona Load del menú principal seguido por Response Spectrum Analysis Data seguido
por Reponse Spectrum Functions
para asignar la función de espectro de
reacción.
Design Spectrum
(Espectro de Diseño)
- Design Spectrum > IBC2000 (ASCE7-98)
- Site Class > C
- Ss = 1.0
- S1 = 0.3
Presiona
,
y luego
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Figura 25 : Espectro de Reacción a Cargas
Selecciona Load del menú principal seguido por Response Spectrum Analysis Data seguido
por Reponse Spectrum load cases
para asignar el espectro de reacción a las
varias cargas en dirección X y Y. Llena las ventanillas con la siguiente información:
- Load Case Name > RX
- Direction > X-Y
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- Excitation Angle = 0 (deg.)
- Scale Factor (I/R) > 1/8 = 0.125
- Period Modification Factor = 1
- Function Name (Damping Ratio) > IBC2000(ASCE7-98) (0.05) > (on)
- Interpolation of Spectral Data > Linear (on)
- Accidental Eccentricity > (on)
- Modal Combination Type > SRSS
- Load Case Name > RY
- Excitation Angle = 90 (deg.)
- Modal Combination Type > SRSS
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Figura 26 : Análisis de Espectro de Reacción
5. Análisis
Selecciona Analysis del menú principal, seguido por P-Delta Analysis. Llena la ventanilla con
la siguiente información:
- Number of Iterations = 5
(Numero de iteraciones)
- Convergence Tolerance = 1e-005
- P-Delta Combination > Load Case > DL ; Scale Factor > 1
- P-Delta Combination > Load Case > LL ; Scale Factor = 0.25
Figura 27: P-Delta Análisis
Selecciona Analysis del menú principal, seguido por Eigenvalue Analysis Contol. Llena la
ventanilla con la siguiente información:
- Type of Analysis > Eigen Vectors (on) > Subspace Iteration (on)
- Number of Frequencies = 10
- Number of Iterations = 20
- Subspace Dimension = 0
- Convergence Tolerance = 1e-010
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Figura 28 : Control de Análisis Eigenvalue
6. Entrada de Diseño
Selecciona Results del menú principal, seguido por Combinations. Llena la ventanilla con la
siguiente información para crear un combinaciones de cargas en los planos X y Y:
Busca la ventanilla Concrete Design y presiona Auto Generation
- Option > Add (on)
- Design Code > ACI318-02
- Scale Up Factor = 1.48 ; RX
- Scale Up Factor = 1 ; RY
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Figura 29 : Generacion de Combinacion de Cargas
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Compara RX (RY) y EX (EY)
RX (RY):
Selecciona Results del menú principal, seguido por Result Tables, seguido por Story, y
selecciona Story Shear (Response Spectrum Analysis). Llena la ventanilla con la siguiente
información para ver los resultados por piso.
- Spectrum Load Cases > RX(RS) (on) & RY(RS) (on)
- Shear Force (Without Spring)
Figura 30 : Story Shear (Response Spectrum Analysis)
EX (EY):
Selecciona Loads del menú principal, seguido por Lateral Loads, seguido por Static Seismic
Loads. Dentro de la ventana selecciona Load Case, seguido por EXP y selecciona Seismic
Load Profile. Llena la ventanilla con la siguiente información para ver los resultados por piso.
- Story Shear (on)
De la misma manera, inspecciona las resultados para EXN, EYP y EYN
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Diseño Sísmico de Edificios de Hormigón Reforzado
Figura 31 : Fuerza de Corte por Piso (Cargas Sísmicas Estáticas)
Selecciona Design del menú principal, seguido por General Design Parameter, y selecciona
Definition of Frame. Llena la ventanilla con la siguiente información para asignar restricciones
por dirección a la estructura.
- X-direction > Unbraced | Sway (on)
- Y-direction > Braced | Non-Sway (on)
- Design Type > 3-D
- Auto Calculate Effective Length Factors > (on)
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Diseño Sísmico de Edificios de Hormigón Reforzado
Figura 32: Definicion de Estructura
Selecciona Design del menú principal, seguido por General Design Parameter, y selecciona
Modify Live Load Reduction Factor. En la ventanilla General Tab, elije lo siguiente para
asignar restricciones por dirección a la estructura.
- Option > Add/Replace (on)
- Applied Components > Axial Force (on)
(Aplica la fuerza axial)
- Oprime Top View
(Escoje las columnas interiors)
seguido por Select Window
- Interior columns: Reduction Factor = 0.56
(Columnas Interiores)
- Edge column: Reduction Factor = 0.69
(Columna de Orilla)
- Corner column: Reduction Factor = 0.88
(Columna de Esquina)
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Diseño Sísmico de Edificios de Hormigón Reforzado
Figura 33 : Modifica el factor de Reducción de las Cargas Viva
- Unbraced Length (L, Lb)
(Largo sin abrazadera)
- Option > Add/Replace (on)
- Unbraced Length > Ly=0 ; Lx=0
(Largo sin abrazadera)
- Laterally Unbraced Length > Do not consider (on)
- Select All
(Selecciona todo)
- Equivalent Moment Correction Factor (Cm) (Factor de corrección de momento equivalente)
- Option > Add/Replace (on)
- Moment Factor > Calculate by Program (on) (Calcula factor de momento)
- Select All
(Selecciona todo)
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Diseño Sísmico de Edificios de Hormigón Reforzado
Figura 34 : Largo Sin Abrazadera
Figura 35 : Factor de corrección de momento equivalente
Selecciona Design del menú principal, seguido por Concrete Design Parameter, y selecciona
Design Code para asignar el código de diseño de hormigón.
- Design Code > ACI318-02
- Apply Special Provisions for Seismic Design > (on)
para diseño sísmico)
(Aplica provisiones especiales
- Select Frame Type > Special Moment Frames (on) (Aplica marco de momento
especiales)
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Diseño Sísmico de Edificios de Hormigón Reforzado
Figura 36 : Codigo de Diseño de Hormigón
Selecciona Design del menú principal, seguido por Concrete Design Parameter, seguido por
Strength Reduction Factors, y selecciona Update By Code para actualizar el código de
diseño.
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Diseño Sísmico de Edificios de Hormigón Reforzado
Figure 37 : Factores de Reducción de Fuerza
Selecciona Design del menú principal, seguido por Concrete Design Parameter, seguido por
Design Criteria for Rebars, y llena la ventanilla siguiendo la información en la figure 38 para
asignar el criterio de diseño de las barras de refuerzo.
Figura 38: Criterio de diseño de las barras de refuerzo
Selecciona Design del menú principal, seguido por Concrete Design Parameter, seguido por
Modifiy Concrete Materials, y llena la ventanilla siguiendo la información:
Select material ID #1
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Rebar Selection
- Code > ASTM (RC)
- Grade of Main Rebar > Grade 60
- Grade of Sub-Rebar > Grade 40
Para modificar las propiedades del Hormigón.
Figure 38 : Modificar las propiedades del Hormigón.
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7. Salida de Diseño
Selecciona Design del menú principal, seguido por Concrete Code Design, seguido por Beam
Design, y en la ventanilla escoje Sorted by Member para organizar la data de las vijas.
Presiona
para expandir la data.
Figura 40 : Diseño de Vija de Concreto
Selecciona Design del menú principal, seguido por Concrete Code Design, seguido por
Column Design, y en la ventanilla escoje Sorted by Member para organizar la data de las
columnas.
Presiona
para expandir la data.
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Figura 41 : Diseño de Columna de Concreto
Selecciona Design del menú principal, seguido por Concrete Code Design, seguido por Wall
Design, y en la ventanilla escoje Sorted by Wall ID + Story
Presiona
para expandir la data.
Presiona SEL (Select) > WID (Wall ID) = 1 ; Story = 1F y por ultimo presiona
para graficar la data de las paredes del primer piso. Resultados son mostrados en Figura 43.
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Diseño Sísmico de Edificios de Hormigón Reforzado
Figura 42 : Diseño de Pared de Concreto
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Figura 43: Resultados del Primer Piso
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