Una guía sobre cómo ejecutar un análisis de espectro de respuesta en un edificio de acero de poca altura
Descripción general y definición de ejemplo
En zonas de actividad sísmica, códigos de construcción como ASCE-07 establecer la sismicidad en términos de fuerzas de inercia. Hay dos enfoques principales para obtener estas fuerzas., estático y dinámico. Este artículo se centra únicamente en las fuerzas dinámicas.. Si necesita aprender a calcular usando el procedimiento estático, te recomendamos leer estos artículos: Generador de cargas sísmicas SkyCiv y SkyCiv Ejemplo completamente trabajado de ASCE 7-16 Cálculo de carga sísmica utilizando el procedimiento de fuerza lateral equivalente.
Un análisis de espectro de respuesta (RSA) es lineal (deformaciones directamente relacionadas con las tensiones) procedimiento dinámico que utiliza las propiedades de vibraciones naturales de una estructura para obtener la fuerza máxima generada en un evento sísmico de movimiento. Debido a que este movimiento se transfiere desde los soportes del suelo a la estructura completa, se desarrollarán las fuerzas de inercia, es decir, como dice la segunda ley de newton, Fuerza = masa * aceleración. La masa fuente se toma del material de construcción y el nivel de aceleración tiene que ser definido por el Código.. No dude en consultar un artículo anterior de SkyCiv sobre RSA: Introducción al análisis del espectro de respuesta con SkyCiv S3D.
La siguiente imagen muestra un modelo estructural renderizado que consta de un edificio de acero de poca altura.. La resistencia lateral es proporcionada por dos sistemas estructurales diferentes a lo largo de las direcciones principales en el plan: Marco de arriostramientos concéntricos para marcos longitudinales y resistentes a momento para marcos transversales..
Figura No.1. Modelo tridimensional renderizado.
Creación de modelos en SkyCiv S3D
Puede seguir los siguientes pasos para crear un modelo y poder ejecutar un RSA. (Para tutoriales más detallados sobre el modelado, ir a nuestros documentos SkyCiv: Primeros pasos con SkyCiv S3D)
- Dimensiones en planta y altura. El edificio tiene tres y dos vanos en sentido longitudinal y transversal, respectivamente. en alzado, tiene tres niveles de pisos.
Figura No.2. Dimensiones del plano.
Figura No.3. Definición de nivel de historia.
- Sistemas resistentes a fuerzas laterales. Seguir buenas prácticas en la configuración de estructuras de acero, es necesario utilizar en consecuencia las recomendaciones del código de diseño. En este artículo, definimos marcos arriostrados a lo largo de la dirección longitudinal (“X”) en el que todos los elementos estructurales tienen que estar conectados como una junta articulada. Los frenos son formas estructurales huecas. (HSS) tipos comúnmente cuadrados. Para la dirección corta (transverso) hemos establecido pórticos resistentes a momento considerando la capacidad de transferir momentos de flexión entre elementos a través de sus nodos. Para estos últimos marcos, vigas y columnas son formas de acero W. Es muy importante en esta configuración estructural asignar apoyos adecuados en la base de la columna, para ponerse al día correctamente con el comportamiento deseado.
Figura No.4. Definición de pórticos resistentes y arriostrados.
Figura No.5. Apoya la liberación “Z” grado de libertad de rotación.
Los marcos arriostrados deben adaptarse a la rotación para desarrollar solo fuerzas axiales (tensión o compresión). Los marcos de momento necesitan soportes fijos al menos en su plano. La forma de cumplir con ambos requisitos es asignando un grado de libertad fijo para el desplazamiento y la rotación en cada dirección. (“x”, “y”, “z”) con la única excepción de soltar la rotación a lo largo de la “z” eje. El código de restricción a aplicar es “FFFFFR”; los tres primeros caracteres para desplazamiento lineal y los tres últimos para rotación.
Figura No.6. Grupo de apoyos y asignación de códigos de sujeción.
Pisos con Diafragmas Rígidos
Se recomienda definir diafragmas rígidos para reducir el número de grados de libertad a tres por nivel, dos para el desplazamiento de traslación y uno para la rotación en el plano.
Figura No.7. Diafragmas rígidos en pisos.
Como un trabajos de restricción de diafragma rígido es que crea un nodo maestro de referencia, comúnmente llamado “Centro de masa (CM)” y enlaces a los nodos usando Rigid Links. Una definición simple es el punto o nodo en un sistema en el que toda la masa puede considerarse concentrada.. Para cargas sísmicas, se aplican fuerzas laterales al CM.
Figura No.8. Nodos maestro y esclavo en un diafragma rígido.
El modelo geométrico completo se muestra en la siguiente figura..
Figura No.9. 3Vista D del modelo completo.
Agregar cargas estáticas a su modelo
Los códigos de construcción definen las cargas y la forma en que se considera una combinación de ellas.. En este artículo, solo se definirán fuerzas gravitatorias y laterales.
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- Cargas gravitatorias: peso propio, cargas vivas y muertas superpuestas.
- Cargas laterales: fuerzas sísmicas dinámicas lineales del análisis del espectro de respuesta en cada dirección del plan.
Para definir la carga de peso propio, mire la cinta de la izquierda y seleccione en la sección de cargas la opción “Peso propio”, luego encienda haciendo clic en el botón “EN”. próximo, asignar un valor de -1 en la dirección vertical (en este caso es la gravedad del eje Y) y finalmente vaya al botón Aplicar para crear este caso de carga.
Figura No.10. Definición de carga de caja de peso propio.
Se requiere un procedimiento similar al que hicimos antes para la carga de peso propio para asignar y crear cargas gravitacionales de usuario:
- Seleccione “Cargas de área” de la sección Cargas.
- Seleccione los cuatro nodos de esquina de una placa de piso en particular para definir el perímetro de carga del área, luego asigne la magnitud de la presión, 2.5 kPa para cargas superpuestas y 2.o kPa para cargas vivas. Siéntase libre de dar los nombres que considere convenientes para cada caso de carga.
número de figura. 11. Selección de nodos de placa de esquina para crear cargas de área.
número de figura. 12. Cargas superficiales: muertos superpuestos (2.5kPa) y cargas vivas (2.0kPa).
- Vaya a la configuración de visibilidad ubicada en la cinta derecha y seleccione “Cargas de área equivalente” observar la distribución de las cargas superficiales en cada viga secundaria en proporción a su ancho tributario. SkyCiv S3D usa esta fuerza de línea en lugar de que el área se cargue sola.
número de figura. 13. Carga lineal equivalente aplicada a vigas secundarias: Carga muerta superpuesta.
Figura No.14. Carga lineal equivalente aplicada a vigas secundarias: Carga viva.
Análisis de espectro de respuesta, RSA – aplicando cargas
Para calcular dinámicamente las fuerzas sísmicas laterales usando este método (RSA) puedes seguir los siguientes pasos:
- Masas nodales. Puede definir masas colocándolas directamente en los nodos de la estructura o mediante la conversión de las cargas aplicadas.
La mayoría de los códigos de construcción han considerado solo como fuente de masa el peso propio y las cargas muertas superpuestas para calcular las fuerzas de inercia sísmica.. En algunos casos poco comunes, también se tiene en cuenta una fracción de las cargas vivas.
número de figura. 15. Fuentes de masa, incluido el peso propio, muertos superpuestos y 25% de carga viva.
- Cargas espectrales. En esta sección, definirá todos los datos necesarios para construir el diagrama de espectro.
Hay dos maneras de crear la trama para RSA. SkyCiv S3D le ofrece el uso de una entrada de usuario o con una plantilla predeterminada que incluye el ASCE-07, NBCC 2020 y Eurocódigo 8 codigos.
Figura no.16. Opción de cargas espectrales en SkyCiv S3D.
Figura nº 17. Códigos de construcción predeterminados para cargas espectrales.
número de figura. 18. Ajustes relacionados con la respuesta modal
Debido a que el RSA es un método de análisis dinámico basado en la respuesta modal, tiene que haber una previamente definida procedimiento para combinar estas diferentes respuestas modales. Los métodos más adecuados se indican a continuación y se recomienda encarecidamente utilizar el método CQC.: “Combinaciones cuadráticas completas”. Para más información sobre métodos de combinación modal, mira este artículo.
número de figura. 19. Reglas para combinar resultados modales
- Espectro de diseño reducido. Es casi imposible diseñar cualquier edificio para resistir fuerzas sísmicas elásticas debido a los altos costos de construcción que esto implicaría.. Por esta razón, la mayoría de los códigos de construcción permiten el uso de fuerzas sísmicas más bajas que las mencionadas anteriormente. Para hacer eso, todo sistema constructivo tiene propiedades como ductilidad y resistencia que permiten disipar la energía sísmica y acomodar el desplazamiento horizontal. Por lo tanto, puede reducir las fuerzas de diseño laterales a través del espectro de diseño reducido.
Figura nº 20. Gráfico de espectro de diseño reducido.
El ejemplo con el que hemos estado trabajando tiene dos sistemas de resistencia lateral diferentes: pórticos arriostrados y de momento. Ambos sistemas responden inelásticamente en diferentes modos de modo que, los factores de ductilidad y resistencia modificarán el espectro de diseño reducido que se utilizará en cada dirección principal.
Figura nº 21. Configuración de análisis de espectro de diseño reducido en “X” dirección.
Figura nº 22.
Configuración de análisis de espectro de diseño reducido en “X” dirección.
Revisión de frecuencias de vibración natural
Una vez que se hayan definido todas las propiedades dinámicas, puede ejecutar un análisis de espectro de respuesta. Ir “Resolver” y luego seleccione “Espectro de respuesta” para obtener los resultados finales. Podemos revisar los periodos o frecuencias naturales de vibración para todos los modos considerados en el análisis.
Figura nº 23. Primer modo de resultado de vibración natural. Período, T1 = 1.412 segundos
Figura nº 24. Segundo modo de vibración natural. Período, T2 = 1.021 segundos
Figura nº 25. Tercer modo de vibración natural. Período, T3 = 1.021 segundos.
Finalmente, puede acceder a las tablas con los resultados de RSA. Las siguientes imágenes muestran las frecuencias y masas de participación para todos los modos de vibración en el análisis..
Cuadro nº 26. Resultados de frecuencia dinámica – 10 modos de vibración.
Cuadro nº 27. Resultados de frecuencia dinámica – Participación masiva.
