Modelado de Estructuras Prefabricadas

StatiCAD ofrece herramientas de modelado, análisis y diseño de uniones para estructuras industriales prefabricadas (de prefabricación industrial) de hormigón armado: barras de sección variable (nonprismatic) y secciones paramétricas prefabricadas, asignación de uniones articuladas, diagonales equivalentes del diafragma de cubierta (TBDY 2018 Anexo 8B), masas de paneles de fachada y de puentes grúa, cargas de puente grúa, R y D diferentes en las partes superior e inferior (TBDY 4.3.6), diseño de uniones según el Capítulo 8 de la TBDY, carga sísmica de paneles de fachada, deslizamiento en la cimentación y diseño de armaduras de vigas poligonales y de sección variable.

Estas funciones se desarrollaron y se contrastaron con el edificio de ejemplo del libro «Análisis y Diseño de un Edificio Industrial de Hormigón Armado Prefabricado según la TBDY-2018», de la Asociación Turca de Prefabricados (40×75 m, dos vanos, con entreplanta y puente grúa de 200 kN) (véase Estudios de Verificación de Estructuras Prefabricadas).

info

¿En qué ediciones? Las herramientas de prefabricados (los comandos de prefabricados del menú Macros, las plantillas de sección Precast, la ventana de diseño de uniones y la página de uniones del informe) se encuentran en la edición StatiCAD Ultimate. Los datos de prefabricados de un proyecto preparado en Ultimate se conservan en el archivo; si el proyecto se abre en otra edición, el análisis se ejecuta con los mismos datos. La definición de sección variable (Nonprismatic) existe en todas las ediciones.

1. Flujo general

1. En Ajustes generales del proyecto, introduzca el edificio de hormigón armado como tipo de edificio, el material y los parámetros sísmicos. En edificios con entreplanta, escriba en las casillas R y D los coeficientes de la parte superior.
2. Defina las secciones: pilares rectangulares; para las vigas de cubierta inclinadas, sección variable o plantillas prefabricadas (Capítulos 2 y 3).
3. Dibuje los pilares y las vigas. Seleccione las vigas que se conectan mediante pasadores, como la viga de cubierta, las correas y los canalones, y ejecute el comando Macros → Articular los extremos de las vigas seleccionadas (M2+M3) (Capítulo 4).
4. Determine el diafragma de cubierta: diafragma rígido (por defecto) o diagonales equivalentes del Anexo 8B (Capítulo 5).
5. Introduzca las masas de los paneles de fachada y del puente grúa como masa sísmica adicional y las cargas del puente grúa mediante la ventana de grúa; en edificios con sistemas resistentes distintos en las partes superior e inferior, realice el ajuste de R–D diferentes (véase Cargas de Puente Grúa, Masas Sísmicas Adicionales y R–D Diferentes).
6. Compruebe las opciones de análisis y ejecute el análisis. La armadura de las vigas de hormigón armado poligonales y de sección variable se calcula automáticamente en el análisis.
7. Diseñe las uniones en la ventana Macros → Diseño de uniones prefabricadas (TBDY Capítulo 8)... e inclúyalas en el informe (véase Diseño de Uniones Prefabricadas).

nota

Todos los comandos de prefabricados se encuentran al final del menú Macros del menú principal. Las ventanas de diagonales, de grúa y de uniones no son modales: con la ventana abierta puede seguir seleccionando elementos en el modelo.

2. Plantillas de sección paramétrica prefabricada

En la lista de tipos de plantilla de la ventana Propiedades de Sección de Elemento de Barra se encuentran las siguientes plantillas. Al seleccionar una plantilla, la tabla Parámetros de Sección muestra las dimensiones (cm) y sus descripciones; la vista previa dibuja la sección al instante con las etiquetas de cota.

Plantilla	Uso
Precast I	Viga prefabricada en I o con cabeza de bulbo (bulb tee); anchos de ala, alturas, chaflán y espesores de alma
Precast T	Viga de planta en T con un ala superior y chaflanes (parte prefabricada de la viga compuesta hormigonada por arriba)
Precast U	Viga prefabricada en U o canalón
Precast Box, Box/Tube	Secciones en cajón: dimensiones exteriores, espesores de pared y de losa
Trapezoidal	Sección trapezoidal: ancho superior e inferior, altura

La sección se guarda en el programa como sección poligonal; el área, la inercia y el centro de gravedad se calculan automáticamente a partir del polígono. Como los parámetros también se guardan, al reabrir la sección esta aparece en modo paramétrico. La disposición de la armadura puede indicarse desde el editor de polígonos o, si se deja vacía, se genera automáticamente en el diseño de la viga. En la exportación a SAP2000, las plantillas se envían con las definiciones de sección prefabricada propias de SAP2000.

3. Vigas de sección variable (nonprismatic)

Los elementos cuya altura varía a lo largo de su longitud, como la viga de cercha de cubierta, se modelan como una sola barra; la rigidez se calcula según la variación real de la sección. La definición se realiza en la ventana Definición de Sección Variable, que se abre seleccionando el tipo de plantilla Nonprismatic en la ventana Propiedades de Sección de Elemento de Barra:

Columna	Descripción
Start Section / End Section	Sección al inicio y al final del tramo (entre las secciones prismáticas ya definidas; p. ej., rectangular de 40×26 en el extremo y 40×140 en el centro, o dos Precast I distintas)
Length / Length Type	Absolute: longitud del tramo en cm. Variable: peso proporcional; una vez descontados los tramos Absolute de la longitud del elemento, la longitud restante se reparte entre los tramos Variable según esta proporción.
EI33 / EI22 variation	Forma de variación de la rigidez a flexión: Linear (EI lineal), Parabolic (√EI lineal; cuando varía la altura en una sección en I dominada por el ala), Cubic (∛EI lineal; sección rectangular de ancho constante y altura con variación lineal)

La viga de cubierta a dos aguas se define con dos tramos: sección de extremo → sección central → sección de extremo. El área, la constante de torsión y las áreas de cortante varían linealmente dentro del tramo. Basta con seleccionar el nombre de la sección como sección de la viga; el análisis, la exportación a SAP2000 (con todos sus tramos) y el diseño de la armadura utilizan la sección variable de forma automática.

info

¿Cómo se calcula? La matriz de rigidez del elemento se construye mediante la integración de la flexibilidad de las propiedades de sección que varían a lo largo de la longitud (incluida la deformación por cortante); con sección constante, esta matriz coincide con la del elemento prismático con precisión numérica. Las fuerzas de empotramiento por carga distribuida también se calculan según la sección variable; el extremo más grueso recibe un momento de empotramiento mayor. La masa y el peso propio se distribuyen a lo largo de la longitud con el área media (el volumen total es correcto).

nota

La sección variable se tiene en cuenta únicamente en vigas; no se admite su asignación a pilares.

4. Uniones articuladas (con pasador)

En los edificios prefabricados, las vigas de cubierta, las correas y los canalones suelen unirse a los pilares mediante articulaciones con pasador. Para asignarlas en un solo paso, seleccione las vigas correspondientes (en todas las plantas) y ejecute el comando Macros → Articular los extremos de las vigas seleccionadas (M2+M3). El comando libera los dos momentos flectores (M2, M3) en ambos extremos de cada viga seleccionada, anula los coeficientes de los muelles de la articulación y activa la articulación en todos los estados de carga; al final informa de cuántas vigas se han procesado. La articulación de un solo extremo también puede introducirse desde la tabla de articulaciones de la ventana de propiedades de la viga.

Aunque las vigas tengan un desfase de eje (la línea de nudos de la viga queda por encima de la viga), la articulación se aplica en el lado del nudo; la viga con pasador se comporta como un verdadero apoyo simple. La fuerza axial compuesta que producen conjuntamente el diafragma rígido y el desfase de eje se excluye de la evaluación de la carga axial de la viga.

5. Diafragma de cubierta: diafragma rígido o diagonales equivalentes del Anexo 8B

La hipótesis por defecto es el diafragma rígido en cada planta (incluida la cubierta) (Ajustes generales del proyecto → Fuerzas en Elementos → Diafragma totalmente rígido). En cubiertas con correas y tramos arriostrados, en las que miles de nudos se conectan al diafragma, el diafragma rígido se resuelve mediante la transformación exacta maestro–esclavo; no se requiere ningún ajuste por parte del usuario.

En cubiertas con chapa trapezoidal o panel sándwich, el Anexo 8B de la TBDY permite representar la rigidez a cortante del plano de cubierta mediante pares de diagonales equivalentes articuladas en ambos extremos. Para ello, utilice la ventana Macros → Diagonales equivalentes del diafragma de cubierta prefabricada (TBDY Anexo 8B):

Dato	Descripción	Valor por defecto
Diámetro del tornillo autotaladrante D (mm)	Diámetro del tornillo que fija la chapa a la correa	4
Espesor de la chapa superior t1 (mm)	Espesor de la lámina en chapa trapezoidal; chapa superior en panel sándwich	0,5
Chapa inferior t2 (mm)	Chapa inferior en panel sándwich; 0 en chapa trapezoidal	0,4
Tornillos por unidad de longitud n (uds./m)	Número de tornillos por metro a lo largo de la correa	5,5
Límite elástico de la chapa fy (MPa)		255
Coeficiente de seguridad γ		0,67
Número de divisiones	En cuántas celdas se divide el espacio entre dos vigas, en la dirección de la longitud de la viga	4
Material de la diagonal E (MPa)	Módulo de elasticidad de la barra equivalente	33227

1. Calcular: Se muestran la rigidez axial equivalente (EA)e, la fuerza máxima que puede soportar una diagonal, la comparación de la Ec. 8B.1 de la TBDY, la sección de la barra equivalente y las condiciones de aplicabilidad del Anexo 8B (separación de correas ≤ 2,0 m, ángulo de la diagonal ≈ 45°).
2. Seleccione en el modelo las dos vigas paralelas entre las que se colocarán las diagonales (p. ej., dos vigas de cubierta contiguas) y pulse el botón Generar diagonales entre las 2 vigas seleccionadas. El espacio entre las dos vigas se divide en el número de celdas elegido y en cada celda se coloca un par de diagonales en X. Las diagonales son elementos virtuales articulados en ambos extremos, sin masa y sin carga; no entran en el diseño de hormigón armado ni en las mediciones.
3. Las diagonales generadas y las vigas de origen permanecen seleccionadas. Ejecute el comando Macros → Dividir las vigas seleccionadas que se cruzan en todas las plantas para que los extremos de las diagonales se unan a las correas y a las vigas en un nudo común.

nota

Al trabajar con una cubierta con diagonales del Anexo 8B, debe seleccionarse Ajustes generales del proyecto → Fuerzas en Elementos → Diafragma semirrígido. Se recomienda ejecutar también la solución con diafragma rígido a efectos de comparación.

6. Opciones de análisis

Opción	Ubicación	Descripción
Diafragma totalmente rígido / semirrígido	Ajustes generales del proyecto → Fuerzas en Elementos	En una cubierta con diagonales del Anexo 8B se selecciona semirrígido; en los demás casos se recomienda diafragma rígido.
Asignación de diafragma rígido en el análisis modal	Ajustes generales del proyecto → Fuerzas Sísmicas	Con la opción “Realizar”, modelo reducido con tres grados de libertad por planta (UX, UY, RZ); los nudos situados en la cota de la planta (±2 cm) se conectan a la planta.
Considerar las losas en el análisis modal con diafragma rígido	Ajustes generales del proyecto → Fuerzas Sísmicas	La contribución de las láminas de losa a la rigidez está presente en la solución estática, pero por defecto no en el análisis modal con diafragma rígido; por ello los periodos modales resultan algo más largos y los desplazamientos estáticos algo menores (2–5 %). Puede activarse en modelos pequeños para igualar ambas soluciones; no se recomienda en cubiertas grandes con correas y tramos arriostrados por el requerimiento de memoria.
No conectar los nudos intermedios de las vigas al diafragma rígido	Ajustes generales del proyecto → Fuerzas Sísmicas	Cuando los ejes de las vigas se modelan por debajo de la línea de nudos, los nudos de división de la viga están conectados al diafragma rígido, por lo que las vigas se rigidizan como secciones compuestas. Al activar la opción, solo los nudos de división quedan fuera del diafragma; los nudos de pilar, muro y cruce de vigas permanecen conectados. Está desactivada por defecto y se guarda con el proyecto.

7. Límites del alcance

• La sección variable se tiene en cuenta únicamente en vigas; el cálculo de secciones pretensadas queda fuera del alcance.
• La comprobación de ménsulas cortas y de ménsulas de puente grúa, la comprobación de cimentaciones de vaso (con cáliz) y las comprobaciones de la fase de montaje no están incluidas en esta edición.
• La rigidez a cortante de la cubierta semirrígida con diagonales del Anexo 8B debe evaluarse junto con la solución de diafragma rígido.
• En el detalle de unión ala–muro de la plantilla Precast U existe una pequeña diferencia de área respecto a SAP2000 (−4 % en la sección de ejemplo).

8. Situaciones frecuentes

Síntoma	Solución
No hay comandos de prefabricados en el menú Macros; las plantillas Precast no aparecen en la lista de secciones.	Las herramientas de prefabricados están habilitadas en la edición Ultimate.
Las diagonales generadas no se unen a las correas.	Ejecute el comando Macros → Dividir las vigas seleccionadas que se cruzan en todas las plantas con las diagonales y las vigas seleccionadas.
El periodo fundamental es más corto de lo esperado.	Es consecuencia de la hipótesis de diafragma de cubierta rígido; su explicación se encuentra en el artículo de verificación.