Con la ayuda de INESA TECH podrás conocer la aplicación de herramientas de cálculo que ayudan a potenciar el análisis y diseño de estructuras. Si te interesa saber más sobre la implementación del Section Designer de SAP2000 en análisis avanzados, te invitamos a leer el artículo que hemos preparado.
Características y usos principales del Section Designer
La herramienta integrada Section Designer de SAP2000 permite el modelado y el análisis de secciones transversales definidas por el usuario que luego pueden asignarse a los elementos tipo frame del modelo de análisis global de una estructura. Sus aplicaciones son diversas; sin embargo, para el análisis no lineal, resulta de gran potencia y versatilidad.
Con ayuda del Section Designer (SD) se pueden obtener diagramas de interacción y de momento-curvatura de las secciones de concreto reforzado. Este último es fundamental a la hora de estimar la ductilidad de una sección específica para luego construir su diagrama momento-rotación. El diagrama momento-rotación será la base para la definición de las rótulas plásticas que alimentan el modelo con el que se puede conducir un análisis estático no lineal tipo pushover.
Secciones de concreto reforzado no confinado y confinado en Section Designer
Para las estructuras en las que las demandas de ductilidad son elevadas, se hace necesario confinar el núcleo de las secciones transversales de los elementos en los que se concentrará la plasticidad. El confinamiento brinda mayor capacidad de deformación, contribuyendo al incremento de la ductilidad y a la prevención del pandeo de las barras de refuerzo longitudinal. Son de especial importancia las zonas en las que se proyecta la formación de rótulas plásticas en presencia de cargas axiales elevadas, por ejemplo, en las bases de las columnas de edificios conformados por pórticos resistentes a momento.
El confinamiento de la sección mediante refuerzo transversal ofrece beneficios significativos en términos de ductilidad de curvatura, por lo que su entendimiento e implementación correcta en los modelos de análisis no lineal es crucial para el diseño de estructuras nuevas y para la adecuación sísmica de las existentes.
En el Section Designer es posible generar fácilmente secciones de concreto reforzado en las que se requiere la discretización según el confinamiento (núcleo y recubrimiento). Ese procedimiento brinda al ingeniero diseñador mejores variables de decisión para evaluar el comportamiento estructural desde el nivel seccional hasta el nivel global.
Conoce cómo realizar un análisis no lineal estático (pushover) que permita estimar la ductilidad global y el comportamiento inelástico de edificaciones en la Especialización en Análisis No Lineal y Diseño por Desempeño Sísmico de Estructuras.
Obtención del diagrama momento-curvatura con Section Designer
En el estudio de una determinada sección transversal para efectos de aplicaciones sísmicas, el uso del diagrama momento-curvatura resulta fundamental. De este diagrama se puede extraer información valiosa para tomar decisiones de diseño encaminadas a garantizar un correcto comportamiento de la estructura. Los valores de ductilidad de curvatura de la sección en condición de fluencia y en condición última permitirán la estimación de la correspondiente ductilidad de entrepiso y la construcción del diagrama momento-rotación para las articulaciones plásticas que se implementarán en el modelo de análisis no lineal (pushover).
En la siguiente imagen se presenta una vista general de una sección doblemente reforzada, pudiéndose apreciar que la herramienta ayuda en la definición de las regiones con concreto confinado y no confinado. Para el concreto confinado, está disponible de forma automática el modelo desarrollado por Mander [3], [4].
En cuanto al diagrama momento-curvatura, en el Section Designer es posible utilizar la idealización bilineal propuesta por el Caltrans [5]. Con esta aproximación se pueden obtener de una forma más directa los valores que servirán como insumo del análisis no lineal: curvatura de fluencia y última, momento de fluencia y momento plástico (referido algunas veces como momento nominal).
A pesar de que en el análisis pushover de estructuras de concreto reforzado se utilizan a menudo rótulas plásticas automáticas definidas con base en el tipo de elemento (viga, columna), siempre será conveniente que el ingeniero diseñador dedique un tiempo a conocer las formulaciones y procedimientos que sustentan la aplicación automática en el software de análisis y diseño. Para esto, es crucial entender las relaciones de momento-curvatura y sus derivaciones hacia el comportamiento no lineal de las secciones y de los elementos en los que se asignan.
Aplicación del Section Designer en el análisis no lineal estático pushover
Es importante tener en cuenta que la información que se puede extraer del Section Designer sirve no solamente para los procesos de diseño de estructuras nuevas sino también a los estudios de reforzamiento y repotenciación de estructuras existentes. Con base en los valores de curvatura, el diseñador puede construir los diagramas momento-rotación normalizados para ingresarlos en la definición de rótulas plásticas de vigas y columnas, como se muestra a continuación:
El viaje que inicia en el entendimiento de la información que aporta el diagrama momento-curvatura tiene una de sus estaciones finales en la evaluación del desempeño sísmico de la estructura que se esté estudiando. La rotación de las articulaciones plásticas para un nivel de fuerza sísmica de interés y para un objetivo de desempeño previamente establecido, es uno de los criterios de aceptación de la solución de diseño.
Comentarios finales
Mediante el uso de herramientas como el Section Designer de SAP2000 se puede estudiar detalladamente el comportamiento no lineal de una sección de concreto reforzado con el objetivo de extraer información que será empleada para la formulación de rótulas plásticas. Esas rótulas, implementadas en un modelo de análisis estático no lineal pushover, servirán para evaluar el comportamiento ante cargas sísmicas de una propuesta estructural de un edificio nuevo o incluso las modificaciones y adiciones propuestas a la estructura de uno existente.
En cualquier caso, conocer a fondo los conceptos que sustentan los cálculos es una habilidad que hará la diferencia en términos de los resultados del diseño. Utilizar correctamente los diagramas de interacción y momento-curvatura en los programas de cálculo (SAP2000, ETABS, entre otros) es un aspecto decisivo a la hora de afrontar el diseño sismorresistente de una estructura.
Referencias
[1] Paulay, T., Priestley, MJN. (1992). Seismic Design of Reinforced Concrete and Masonry Buildings, John Wiley & Sons, Inc., pp. 744.
[2] Paultre, P., and F. Légeron (2008). “Confinement Reinforcement Design for Reinforced Concrete Columns,” Journal of Structural Engineering, Vol. 134, No. 5, pp. 738–749. https://doi.org/10.1061/(ASCE)0733-9445(2008)134:5(738)
[3] Mander, J.B., M.J.N. Priestley, and R. Park (1988a). “Theoretical Stress-Strain Model for Confined Concrete,” Journal of Structural Engineering, Vol. 114, No. 8, pp. 1804–1826. https://doi.org/10.1061/(ASCE)0733-9445(1988)114:8(1804)
[4] Mander, J.B., M.J.N. Priestley, and R. Park (1988b). “Observed Stress-Strain Behavior of Confined Concrete,” Journal of Structural Engineering, Vol. 114, No. 8, pp. 1827–1849. https://doi.org/10.1061/(ASCE)0733-9445(1988)114:8(1827)
[5] Caltrans Seismic Design Criteria Version 2.0. State of California Department of Transportation, April 2019.
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