Luego de la determinación final de la carga sobre la estructura, se realiza un análisis estructural para determinar las fuerzas como momentos flectores, fuerzas cortantes, momentos de torsión, etc. Idealizar la estructura real es la parte más difícil del análisis estructural.
Analicemos los elementos estructurales.
- Elementos de marco: Las vigas y columnas se modelan principalmente con elementos de marco.
- Elementos de carcasa: los elementos más delgados como losas, muros de corte, etc. se modelan utilizando elementos de carcasa. Además, este elemento tiene en cuenta acciones fuera del plan.
- Elementos de placa: Los elementos de placa se utilizan para dar forma a elementos más gruesos, como las cimas de pilotes.
- Membranas: Cuando necesitamos una acción de membrana utilizamos este tipo de elementos. Cuando no hay acciones fuera del plano o cuando necesitamos acción de membrana, este elemento es útil.
Técnicas de modelado de cimientos utilizadas en el análisis estructural.
Para algunas estructuras es muy importante tener en cuenta la interacción entre los cimientos y la superestructura. Sin embargo, no es absolutamente necesario tener siempre en cuenta este efecto.
Especialmente en edificios altos y diferentes condiciones del terreno, es aconsejable tener en cuenta el impacto de los cimientos sobre la superestructura.
Además, en el contexto del modelado básico, se puede destacar lo siguiente.
- Si la cimentación no se modela junto con la superestructura, los soportes de pasadores se considerarán al nivel de la cimentación. Esto crea un momento de flexión cero en el nivel de los cimientos y solo se transfieren cargas axiales a los cimientos. Además, considerar el soporte del pasador en el nivel de la base aumenta la rigidez en el nivel superior o puede expresarse como considerar una rigidez menor cerca del nivel de la base.
- Durante la construcción real, los momentos se transfieren desde la superestructura a los cimientos. Sin embargo, esto no es significativo.
- Podemos considerar la fijación y modelar la superestructura considerando las condiciones de apoyo fijo. En estas situaciones, las cimentaciones deben diseñarse para el momento flector provocado por la superestructura.
- Si sobre los edificios actúan cargas laterales, estos efectos deben tenerse en cuenta durante el análisis y el diseño. Especialmente los edificios altos están sujetos a importantes cargas laterales que el sistema de cimentación debe soportar. En estos casos, en el diseño se deben tener en cuenta los momentos flectores y las fuerzas cortantes. Especialmente si los cimientos se modelan por separado, las cargas laterales de la superestructura deben agregarse al modelo de cimientos. La siguiente figura muestra esta consideración de cargas laterales sobre una cimentación de pilotes.
- Para contrarrestar estos efectos, se construyen sótanos en los edificios altos. Además, se pueden utilizar para instalaciones como estacionamiento de vehículos y requisitos de servicio. El número de sótanos depende de las cargas laterales que actúan sobre el edificio.
- Además, el suelo compactado alrededor del sótano crea una presión pasiva a medida que el edificio intenta moverse hacia el suelo. Por lo tanto, el efecto de los muros del sótano podría tenerse en cuenta en el análisis estructural.
- Muy a menudo, los elementos de resorte se utilizan para dar forma al suelo debajo de los cimientos. El pilote está sostenido por resortes y los resortes se colocan debajo de las zapatas para representar el comportamiento del suelo. También podrían utilizarse otros métodos, como el modelado de elementos finitos del suelo.
- La figura anterior muestra uno de los métodos para considerar el comportamiento de las cimentaciones en el análisis estructural.
Cortocircuito de estructuras.
Una estructura está sujeta a acortamientos bajo carga y debido a los parámetros de los materiales de construcción que dependen del tiempo.
- acortamiento elástico
- Acortamiento por fluencia del hormigón
- Acortamiento por contracción
Estos efectos deben tenerse en cuenta durante el análisis y diseño estructural. Además, a la hora de dimensionar los elementos se debe tener cuidado de que el acortamiento se produzca de manera uniforme en el resto de plantas. Esto reduce las tensiones adicionales impuestas sobre otros elementos.
La planificación del diseño se lleva a cabo para mantener la tensión vertical de los elementos cargados axialmente al mismo nivel. Sin embargo, no siempre es posible situarlos al mismo nivel. La siguiente imagen de Internet muestra el acortamiento de los edificios.
Se debe prestar mucha atención a esto durante los cálculos estáticos y la construcción para reducir cargas adicionales sobre los elementos estructurales después de la construcción.
La siguiente figura muestra el método para calcular el momento flector adicional debido al movimiento relativo. Si hay un desplazamiento relativo entre dos elementos, se produce un momento flector adicional.
En general, los muros de corte están sujetos a menos esfuerzos axiales en comparación con las columnas porque los muros de corte tienen una sección transversal mayor. Esto conduce a diferentes acortamientos entre columnas y muros de carga. Entonces se producen momentos flectores adicionales.
Conectamos las vigas entre apoyos y muros de corte. Cuando ocurre un acortamiento diferencial, causa estrés adicional. Los muros de corte son comparativamente más delgados que los soportes. El momento flector adicional puede provocar grietas en los muros de corte si su rigidez es insuficiente. Por lo tanto, se debe tener cuidado al planificar edificios altos y sus sistemas estructurales deben ajustarse en consecuencia.
Análisis de la fase de construcción.
Tener en cuenta los aspectos técnicos de la fase de construcción es muy importante en el análisis y planificación de edificios en altura. Si consideramos toda la estructura con un solo modelo, significa que toda la estructura se construye de una vez.
Sin embargo, en realidad esto no sucede.
Si analizamos la estructura como una construcción monofásica, no se tiene en cuenta la distribución real de tensiones en las distintas fases de la construcción.
Por ejemplo, para crear tensión se tiene en cuenta el asentamiento global de los elementos. Recuerde que las vigas conectadas al muro de carga y la columna tendrán un desplazamiento relativo debido al acortamiento. En un diseño de una sola etapa, el acortamiento total afecta a los elementos y se muestran tensiones adicionales según la rigidez.
Si hemos hecho el análisis durante la fase de construcción, el efecto se verá reducido. El efecto del cortocircuito elástico es simplemente el cortocircuito causado por la carga axial de la columna desde arriba. Asimismo, otros efectos también se reducen significativamente.
Efecto torsional en estructuras.
Los edificios están sujetos a torsión cuando el centro de rigidez y el centro geométrico no coinciden. Al diseñar edificios altos, generalmente se intenta evitar los efectos de torsión y preservar modos de traslación como los dos primeros modos.
Cuando domina el modo de torsión, el análisis estructural se vuelve más complicado y el diseño se vuelve más difícil. Además, el impacto sobre la estructura es más crítico cuando se aplican cargas cíclicas al edificio.
Al diseñar un edificio alto, es aconsejable planificar la disposición de los muros de corte y las columnas de modo que se minimice el efecto de torsión en el edificio.
Formas modales en análisis estructural.
La forma modal de la estructura es muy importante y el período de cada modo modal es aún más importante. Es una indicación del comportamiento estructural cuando la estructura está sometida a esfuerzos.
Como regla general, el tiempo de construcción de un edificio se puede calcular en 0,1 s por planta. Por ejemplo, si el edificio tiene 20 pisos, el tiempo de construcción podría ser 0,1 x 20 = 2 s.
Se deben comprobar los valores de cada modo, debiendo prestarse especial atención a esto en edificios altos. La época incide directamente en el confort del edificio alto.
Deriva y deflexiones laterales.
El índice de deriva o deriva lateral y deflexión de los edificios se refiere al movimiento lateral del edificio.
El movimiento relativo del suelo se analiza utilizando el índice de deriva.
Límite de deflexión lateral = h/500
Deriva = 1/500
Donde “h” es la altura del edificio.
La deriva y la deflexión lateral proporcionan límites para evitar que las estructuras fallen debido a deflexiones excesivas.
Además, estos valores reflejan el nivel de confort del edificio. Cuanto mayor es la distancia lateral, mayor es el período de la edificación. Esto puede provocar una mayor aceleración del edificio, que puede superar el nivel de confort permitido.
El aumento de la deriva se debe a una rigidez lateral insuficiente de los sistemas de soporte de carga lateral. Para obtener más información sobre las diferentes formas estructurales que se utilizarán en los edificios, consulte el artículo 14 Tipos de formas estructurales para edificios altos.
Los sistemas que soportan cargas laterales deben reforzarse para reducir la deflexión lateral. El artículo Sistemas de absorción de cargas laterales. Para más información puedes contactar con nosotros.
Análisis lineal y análisis no lineal.
Generalmente, analizamos estructuras mediante análisis lineal. Esto se hace para cargas normales. Sin embargo, para cargas excepcionales, consideramos un análisis no lineal.
Tenemos en cuenta efectos extraordinarios, como cargas sísmicas, en la parte no lineal.
Si la estructura permite un comportamiento en el rango lineal incluso bajo cargas extraordinarias como terremotos, será necesario aumentar la rigidez estructural. Esto genera costes adicionales para el cliente.
Además, cuando intentamos mantener la estructura en la región lineal durante una carga excepcional (carga sísmica), los diseñadores deben prestar atención al resultado del análisis. En un análisis no lineal se incluye la ruina de estructuras. Sin embargo, un análisis lineal informa fuerzas para cargas aplicadas sin proporcionar ninguna evidencia de falla. Por tanto, se debe prestar especial atención a esto.
Uso de software de análisis estructural.
Al analizar edificios altos, es obligatorio el uso de software de análisis estructural. No podemos hacer el análisis manualmente.
Hoy en día existen numerosos programas de software que se pueden utilizar para el análisis.
- SAP2000
- Etabs
- StaadPro
- Midas
El software anterior es el más popular en la industria.
Lo más importante en el análisis estructural es validar el modelo de análisis computacional antes de utilizar los resultados del análisis para el diseño.
