gu a edificios rev.2 1

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Universidad de Santiago de Chile Facultad de Ingeniería Depto. de Ingeniería en Obras Civiles GUÍA EDIFICIOS Realizado por: Sergio Currilen. Diego Valdivieso. Fecha: 2 de Febrero 2012

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Guía de ejercicios resueltos

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Análisis Matricial de Estructuras

Ayudantes: Sergio Currilen, Diego Valdivieso Página 0

Universidad de Santiago de Chile Facultad de Ingeniería

Depto. de Ingeniería en Obras Civiles

GUÍA EDIFICIOS

Realizado por: Sergio Currilen.

Diego Valdivieso.

Fecha: 2 de Febrero 2012

Análisis Matricial de Estructuras

Ayudantes: Sergio Currilen, Diego Valdivieso Página 1

Algoritmo edificios

1) Determinar matrices de rigidez condensadas a grados horizontales. 2) Determinar centro de gravedad por nivel.

3) Encontrar αij: ángulo del elemento j con respecto al eje X en el nivel i

4) Encontrar dij: distancia perpendicular desde el centro de gravedad al

eje del muro j, en el nivel i. 5) Determinar matrices <β> de unión de edificios, mediante:

<β> = < -senαi cosαi di j >, si la traza del elemento esta en dirección de la

torsión. <β> = < senαi -cosαi -di

j >, si la traza del elemento esta en dirección contraria a la torsión.

6) Determinar matriz de rigidez de diafragma del edificio, mediante:

[KD]=∑<β>T[KC]<β>

7) Determinar centro de rigidez, mediante:

8) Encontrar excentricidad estructural por nivel:

(ex,ey) = (Xcg,Ycg) – (Xcr,Ycr)

9) Encontrar excentricidad accidental y torsión accidental:

Para el sismo según X es:

Para el sismo según Y es:

10) Determinar fuerzas estáticas equivalentes, mediante método estático de la

Nch433 of 96 Mod.2009 y el decreto supremo Nº61 de diciembre 2011.

11) Determinar vector de fuerzas externas y encontrar desplazamientos de los

diafragmas u, v y ϴ, mediante ley de Hooke matricial.

12) Encontrar esfuerzos para cada estructura:

{ } [ ] { } { }

Análisis Matricial de Estructuras

Ayudantes: Sergio Currilen, Diego Valdivieso Página 2

Ejercicio Nº1 El edificio de dos niveles cuya distribución de elementos resistentes es la mostrada a continuación, posee cuatro muros por nivel, donde los muros 1 y 3 son marcos del tipo B, y los muros 2 y 4 son marcos del tipo A. Se pide determinar:

a) Matriz de rigidez de los Marcos A y B. b) Matrices <β> de unión de edificio. c) Matriz Diafragma del edificio. d) Centros de gravedad y rigidez de cada nivel.

Nivel Inferior Nivel Superior

Marco A {muro 2 y

4}

Marco B {muro 1 y 3}

EI = 103 [T·m2]

AE = 10 EI

6

Análisis Matricial de Estructuras

Ayudantes: Sergio Currilen, Diego Valdivieso Página 3

Solución:

i) Rigidez para ambos marcos.

Como necesitamos las matrices de rigidez referida a los grados horizontales, los enumeramos al final, para así, poder consensar después.

Marco A {muro 2 y 4}

=>

Para r5 [KC]A = 10,66 Para r6 [KC]A = 111,11

Marco A {muro 1 y 3}

=>

=>

Para r5 [KC]A = 10,66 Para r6 [KC]A = 111,11

ii) Centros de gravedad

Piso inferior

Xcg = 8 m

Ycg =

= 5,33 m

Piso superior

Xcg = 8 m

r6

r5

r4 r3 r2

r1

1

4 3

2

T

1

1

2

2

0

0

0

0

0

0

1

0

0

0

0

0

0

1

r1 r5 r6

r2

21475.47

4368.87

5035.53

4368.87

1703.33

1258.88

5035.53

1258.88

1258.88

[Kq]A =

r1 r5 r6

r2

814.55

234.48

234.48

78.16

[KC]A =

r5 r6

r2

r5

r7

r8

r1

r2

r3 r6 r4

T

1

1

0

2

0

2

0

0

0

0

1

0

0

0

0

0

0

1

2

0

0

1

0

0

0

0

0

0

0

0

0

1

0

0

0

0

0

0

0

0

1

r1 r3 r5 r7 r8

r2

7333.33

1500

1250

458.33

1125

1500

3000

2000

375

375

1250

2000

3750

187.5

187.5

458.33

375

187.5

819.44

375

1125

375

187.5

375

375

[Kq]B =

r1 r3 r5 r7 r8

r2

708.61

199.17

199.17

66.39

[KC]B =

r7 r8

r2

Análisis Matricial de Estructuras

Ayudantes: Sergio Currilen, Diego Valdivieso Página 4

3 111.11 cos 45( ) 16 3( ) 111.1 cos 45( )

2 111.11 cos 45( )

3 10.41 cos 45( ) 16 3( ) 10.41 cos 45( )

2 10.41 cos 45( )

2 111.11 8 111.11 8 3( ) 111.1 2 cos 45( )

2 111.11 2 111.1 cos 45( )

0 10.66 6 10.66 2 10.41 cos 45( )

2 10.66 2 10.41 cos 45( )

Ycg = = 3,6 m

iii) Centros de Rigidez

Para el cálculo del centro de rigidez de cada diafragma, hay que condensar las matrices de rigidez de cada elemento al grado que las afecta en el diafragma analizado; es necesario aplicar matrices de orden para cambiar el orden de los grados de libertad en la matriz de rigidez de cada elemento, para luego condensar.

El cálculo del centro de rigidez puede realizarse de dos maneras:

1) Realizando una especie de sumatoria de momento, respecto al centro de rigidez (x,y) a encontrar; para esto consideramos las rigideces como si fueran fuerzas (método más engorroso).

2) Utilizando la expresión (método más práctico):

Para piso Inferior XCR=

XCR= 8 m, lo que es obvio debido a la distribución simétrica de los elementos YCR= YCR= 5 m

Para piso Superior

XCR=

XCR= 8 m

YCR=

YCR= 3 m

2 66

2

2

36

4 6 3

4 6 2 66

2

Y

X

111,11

111,1 111,11

111,1

6

Y

X

10,41

10,66

10,66

10,41

Análisis Matricial de Estructuras

Ayudantes: Sergio Currilen, Diego Valdivieso Página 5

iv) Distancias a muros inclinados

Usando ecuación de la recta y –y1={(x2-x1)/(y2-y1)}(x-x1)

Inferior

Muro 1 (x1,y1) = (8,0) y (x2,y2) = (0,9) => y + x – 8 = 0 Muro 3 (x1,y1) = (8,0) y (x2,y2) = (16,8) => y – x + 8 = 0 Muro 1 (x1,y1) = (6,0) y (x2,y2) = (0,6) => y + x – 6 = 0

Muro3 (x1,y1) = (10,0) y (x2,y2) = (16,6) => y – x + 10 = 0 Recordar que la distancia perpendicular, de un punto a una recta, se determina como:

d = |AXo + BYo + C| con (Xo,Yo) centro de gravedad del nivel i.

√ Reemplazando: (dINF)1 = |1*8 + 1*5,33 - 8| => (dINF)1 = 3,77 m

√ (dINF)3 = |-1*8 + 1*5,33 + 8| => (dINF)3 = 3,77 m

√ (dSUP)1 = |1*8 + 1*5,33 - 8| => (dSUP)1 = 3,96 m

√ (dSUP)3 = |1*8 + 1*5,33 - 8| => (dSUP)3 = 3,96 m

v) Tabla resumen

Elemento Nivel α d

1 Inferior 45 3,77

1 Superior 45 3,96

2 Inferior 90 8-5,33=2,67

2 Superior 90 6-3,6=2,4

3 Inferior 135 3,77

3 Superior 135 3,96

4 Inferior 270 5,33-2=3,33

4 Superior 270 3,6

Trazas según sentido positivo de la torsión:

6

δSUP3

δINF4

δSUP2

δSUP1

Análisis Matricial de Estructuras

Ayudantes: Sergio Currilen, Diego Valdivieso Página 6

vi) Matrices <β> = < -senαi cosαi di j >

GDL en elemento 3 en el sentido de la torsión. GDL en elemento 1 en contra de la torsión => <β> = < senαi -cosαi -di

j > i = nivel, j = elemento

i) Matriz de rigidez de Diafragma.

[KD]=∑<β>T[KC]<β>

0.707

0

0

0.707

0.707

0

0

0.707

3.77

0

0

3.96

<β1>=

u1 u2 v1 v2 ϴ1 ϴ2 Inferior_r7

Superior_r8

1

0

0

1

0

0

0

0

2.67

0

0

2.4

<β3>=

u1 u2 v1v2 ϴ1 ϴ2 Inferior_r7

Superior_r8

0.707

0

0

0.707

0.707

0

0

0.707

3.77

0

0

3.96

<β2>=

u1 u2 v1 v2 ϴ1 ϴ2 Inferior_r5

Superior_r6

1

0

0

1

0

0

0

0

3.33

0

0

3.6

<β4>=

u1 u2 v1 v2 ϴ1 ϴ2

Inferior_r5

Superior_r6

2337.48

668.06

0

0

3239.86

833.85

668.06

222.69

0

0

906.96

277.95

0

0

708.39

199.11

0

0

0

0

199.11

66.37

0

0

3239.86

906.96

0

0

34982.14

10260.28

833.85

277.95

0

0

10260.28

3545.32

[KD] =

u1 u2 v1 v2 ϴ1 ϴ2

Análisis Matricial de Estructuras

Ayudantes: Sergio Currilen, Diego Valdivieso Página 7

1

3

2

3,

5

3

7

3,

5

3,

5

4 3

4

5

Ejercicio Nº2

Para el siguiente edificio encontrar:

a) Centros de gravedad y de rigidez. b) Matrices <β> de edificios. c) Matriz de Diafragma de Edificios.

La distribución de elementos resistentes es la mostrada a continuación, donde el

elemento 2 esta sobre el centro de gravedad del piso superior.

Nivel Superior. Nivel Inferior.

Marco Tipo (todos los elementos iguales).

Solución

Resolución de Estructura:

La estructura tipo se resolverá mediante la aplicación del método indicial, primero

se identifican los grados de libertad y las posibles compatibilidades:

EI

EI

EI

AEI

AEI 3

4

1 2 1

3

2

7

4

1

2

3

EI= 1250 [T*m]

AE=10EI

Análisis Matricial de Estructuras

Ayudantes: Sergio Currilen, Diego Valdivieso Página 8

Compatibilidades:

r 1= r5-r4 ; r3= -r6 ; despejando r5 y r6

Matrices a ingresar a la calculadora:

Matriz de compatibilidad de los grados de libertad de la estructura:

T

1

0

0

0

2

0

0

0

0

1

0

0

0

0

0

0

0

0

1

0

0

4

0

0

0

0

0

1

1

0

0

0

0

0

0

0

0

0

1

0

0

0

0

0

0

0

0

1

E

5

4

100.5

3

1

126.87

90

108.435

90

0

1250

1250

1250

1250

1250

12500

0

12500

0

0

0

0

7

7

7

0

0

4

0

5

0

0

1

2

1

7

7

8

8

7

4

0

6

0

0

1

2

3

3

2

Análisis Matricial de Estructuras

Ayudantes: Sergio Currilen, Diego Valdivieso Página 9

Elemento 1:

Elemento 2:

Elemento 3:

Elemento 4:

T

1

0

0

0

2

0

0

0

0

1

0

0

0

0

0

0

0

0

1

0

0

4

0

0

0

0

0

1

1

0

0

0

0

0

0

0

0

0

1

0

0

0

0

0

0

0

0

1

A 1( )

0.16

0.16

0.6

0.12

0.12

0.8

1

0

0

0.16

0.16

0.6

0.12

0.12

0.8

0

1

0

B 1( )

0

0

0

0

0

1

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

1

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

1

0

0

0

0

0

0

0

0

K 1( )

1000

500

0

500

1000

0

0

0

2500

A 2( )

0.25

0.25

0

0

0

1

1

0

0

0.25

0.25

0

0

0

1

0

1

0

B 2( )

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

1

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

1

0

0

0

0

0

0

0

0

K 2( )

1250

625

0

625

1250

0

0

0

0

A 3( )

0.3

0.3

0.316

0.1

0.1

0.949

1

0

0

0.3

0.3

0.316

0.1

0.1

0.949

0

1

0

B 3( )

0

0

1

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

1

0

1

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

1

0

1

0

0

0

0

0

0

0

0

1

0

0

K 3( )

1581.139

790.569

0

790.569

1581.139

0

0

0

3952.847

A 4( )

0.333

0.333

0

0

0

1

1

0

0

0.333

0.333

0

0

0

1

0

1

0

B 4( )

0

0

0

0

0

0

0

0

1

0

0

0

0

0

0

0

0

1

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

1

0

0

0

0

0

0

0

0

1

0

0

K 4( )

1666.667

833.333

0

833.333

1666.667

0

0

0

0

Análisis Matricial de Estructuras

Ayudantes: Sergio Currilen, Diego Valdivieso Página 10

Elemento 5:

Matriz de rigidez de todos los grados de libertad de la estructura:

Matriz de rigidez referida a los grados de libertad mínimos para representar el

movimiento de la estructura:

Condensación de la matriz de rigidez referida a los grados de libertad horizontales:

Para los elementos 1,2 y 3

Para los elementos 4 y 5

Kco 135.487( )

A 5( )

0

0

1

1

1

0

1

0

0

0

0

1

1

1

0

0

1

0

B 5( )

0

0

1

0

0

0

0

0

0

0

0

1

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

1

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

1

0

0

1

0

0

0

0

0

0

0

0

K 5( )

5000

2500

0

2500

5000

0

0

0

0

KT

7581.139

2500

790.569

57.171

7500

237.171

471.513

711.512

2500

7916.667

833.333

0

7500

0

364.583

833.333

790.569

833.333

3247.805

237.171

0

237.171

1544.846

1544.846

57.171

0

237.171

5248.191

0

3604.995

2185.955

1043.554

7500

7500

0

0

15000

0

0

0

237.171

0

237.171

3604.995

0

3604.995

1043.554

1043.554

471.513

364.583

1544.846

2185.955

0

1043.554

2588.929

1377.75

711.512

833.333

1544.846

1043.554

0

1043.554

1377.75

1377.75

Kq

97581.139

17500

158.116

37442.829

471.513

711.512

17500

7916.667

833.333

7500

364.583

833.333

158.116

833.333

59030.349

14182.807

5719.062

5719.062

37442.829

7500

14182.807

20248.191

2185.955

1043.554

471.513

364.583

5719.062

2185.955

2588.929

1377.75

711.512

833.333

5719.062

1043.554

1377.75

1377.75

Kc1872.14

967.814

967.814

539.35

orden

1

0

0

0

0

0

0

1

0

0

0

0

0

0

1

0

0

0

0

0

0

1

0

0

0

0

0

0

0

1

0

0

0

0

1

0

Análisis Matricial de Estructuras

Ayudantes: Sergio Currilen, Diego Valdivieso Página 11

Cálculo centro de gravedad de los diafragmas:

Diafragma Inferior:

Xc.g

Yc.g

Diafragma Superior:

= Xcg

= Ycg

Tabla resumen para cada elemento:

Cálculo de distancias elemento 1:

En el nivel inferior la ecuación de la recta es

La distancia medida en metros:

En el nivel superior la ecuación de la recta es y = 0.75 x + 9

8

343

2 5.5 9 3.5 49 3.5 3.1415

3.52

2

6 9 49 3.14153.52

2

3.656

11.5 43

2 12 9 7 49 3.5 4

3.5

3 3.1415

3.1415

3.52

2

6 9 49 3.14153.52

2

6.713

8

343

2 2 4 7 2 3.1415

22

2

6 28 3.141522

2

2.099

10 43

2 5.5 4 7 2 4

2

3 3.1415

3.1415

22

2

6 28 3.141522

2

5.492

y 0.75 x 10.5 x

0.75 3.656 1 6.713 10.5

32

42

1

0.55.223

Elemento

Ángulo Distancia

1 Inferior 126.87 5.223

Superior 126.87 4.066

2 Inferior 90 0.279

Superior 90 0

3 Inferior 270 3.213

Superior 270 3.492

4 Inferior 0 3.344

5 Inferior 0 3.344

Análisis Matricial de Estructuras

Ayudantes: Sergio Currilen, Diego Valdivieso Página 12

4942.45

2555.029

898.627

464.551

2329.691

231.501

2555.029

1423.884

464.551

258.888

1204.348

129.013

898.627

464.551

944.944

348.413

4960.775

2361.079

464.551

258.888

348.413

194.166

3032.936

1315.798

2329.691

1204.348

4960.775

3032.936

73574.115

31411.869

231.501

129.013

2361.079

1315.798

31411.869

15493.595

La distancia medida en metros:

Orientación de los grados de libertad para los marcos que componen el diafragma:

Matrices Beta de unión de los elementos:

*-1

Matriz de Diafragma:

KD=

Cálculo centro de rigidez del diafragma, debido a la rigidez aportada por cada

elemento resistente:

0.75 2.099 1 5.492 9

32

42

1

0.54.066

B10.8

0

0

0.8

0.600

0

0

0.600

5.223

0

0

4.066

*-1

*-1

B21

0

0

1

0

0

0

0

0.279

0

0

0

B31

0

0

1

0

0

0

0

3.213

0

0

3.492

B4 0 0 1 0 3.344 0( )

B5 0 0 1 0 3.344 0( )

Análisis Matricial de Estructuras

Ayudantes: Sergio Currilen, Diego Valdivieso Página 13

Nivel Inferior:

Rigidez de los marcos condensado al grado de liberta 7 es de 135.487 ton/m;

luego el cálculo es:

Nivel Superior:

Rigidez de los marcos condensado al grado de liberta 8 es de 39.033 ton/m; luego

el cálculo es:

Excentricidad

Excentricidad Estructural:

Calculo de la excentricidad estructural se realiza restando el centro de gravedad

con el centro de rigidez.

Excentricidad en dirección x e y por cada nivel se calcula como:

(ex ; ey) = (Xcg; Ycg) – (Xcr; Ycr)

Nivel Inferior:

(ex ; ey ) = (-2.19 ; -0.463)

Nivel Superior:

(ex ; ey) = (0.099 ; -0.184)

Excentricidad Accidental:

Los resultados del análisis hecho para las fuerzas estáticas aplicadas en cada una

de las direcciones de acción sísmica, se deben combinar con los del análisis por

torsión accidental.

Para este efecto, se deben aplicar momentos de torsión en cada nivel, calculados

como el producto de las fuerzas estáticas que actúan en ese nivel por una

excentricidad accidental dada por:

Para el sismo según X es:

Para el sismo según Y es:

Se debe considerar el signo igual al de las excentricidades estructurales por nivel.

Análisis Matricial de Estructuras

Ayudantes: Sergio Currilen, Diego Valdivieso Página 14

Ejercicio 3:

Un edificio que se proyecta emplazar en Curicó, considerando una incidencia en las dos direcciones principales del edificio de un 80% en dirección X y un 30% en dirección Y. Los estudios de mecánica de suelos, junto con la información recolectada en la

municipalidad del lugar nos permiten determinar que el suelo se encuentra

estratificado, posee un N1=33, Su= 1MPa y la velocidad de ondas de corte de

cada estrato y los espesores de estos son:

Característica Estrato Espesor (m)

Vs (m/s)

Estrato 1: Suelo limoso medianamente compactado.

3 m 200 m/s

Estrato 2: Suelo limoso arenoso, compactado.

5m 250 m/s

Estrato 3: Suelo rocoso 7m 380 m/s

Considere un factor de modificación de la respuesta R=7, mientras que por otro lado el análisis dinámico del edificio considerando solo un grado de libertad arrojo un periodo de oscilación de 0.3s en dirección X y de 0.15s en dirección Y. Se debe considerar un peso por nivel de 200 ton/m2, mientras que su uso según

arquitectura y las sobrecargas son:

Nivel Uso Sobrecarga de Uso

Inferior Oficinas Gendarmería, biblioteca, enfermería, comedores.

800 Kg/m2

Intermedio Recinto de celdas, patio de distracción.

700 Kg/m2

Superior Recinto de celdas. 500 Kg/m2

Considere que se cumplen todos los requisitos necesarios para poder realizar el análisis sísmico del edificio utilizando el método estático expuesto en la norma chilena 433 oficial de 1996 con modificación en el año 2009 y con el decreto de emergencia del año 2011. Se pide obtener: a) Matriz de Diafragma del Edificio.

b) Obtener el estado de cargas Sísmico del Edificio.

c) Obtener los desplazamientos de los grados de libertad del Edificio por nivel.

d) Obtener los esfuerzos de cada estructura, y verificar si la suma de fuerzas por nivel equivale al corte basal. Los diafragma para los tres niveles, así como los elementos resistentes son los

que se indican a continuación:

Análisis Matricial de Estructuras

Ayudantes: Sergio Currilen, Diego Valdivieso Página 15

Solución:

Primero resolveremos los marcos o elementos tipos que componen nuestro

edificio, y quienes finalmente otorgan la rigidez a este, para la resolución de las

estructuras utilizaremos el Método Indicial.

Elemento I:

No hay compatibilidades, luego la matriz T es la identidad de 3x3.

A 1( )

0.333

0.333

0

0

0

1

1

0

0

0.333

0.333

0

0

0

1

0

1

0

E

3

3

3

3

3

3

90

90

90

90

90

90

1000

1000

1000

1000

1000

1000

0

0

0

0

0

0

0

0

1

1

2

2

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

1

1

2

2

3

3

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

Análisis Matricial de Estructuras

Ayudantes: Sergio Currilen, Diego Valdivieso Página 16

A 3( )

0.333

0.333

0

0

0

1

1

0

0

0.333

0.333

0

0

0

1

0

1

0

K 3( )

1333.333

666.667

0

666.667

1333.333

0

0

0

0

K 2( )

1333.333

666.667

0

666.667

1333.333

0

0

0

0

K 1( )

1333.333

666.667

0

666.667

1333.333

0

0

0

0

A 2( )

0.333

0.333

0

0

0

1

1

0

0

0.333

0.333

0

0

0

1

0

1

0

B 1( )

0

0

0

1

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

B 2( )

0

0

0

1

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

B 3( )

1

0

0

0

0

0

0

0

0

1

0

0

0

0

0

0

0

0

A 4( )

0.333

0.333

0

0

0

1

1

0

0

0.333

0.333

0

0

0

1

0

1

0

B 4( )

1

0

0

0

0

0

0

0

0

1

0

0

0

0

0

0

0

0

K 4( )

1333.333

666.667

0

666.667

1333.333

0

0

0

0

A 5( )

0.333

0.333

0

0

0

1

1

0

0

0.333

0.333

0

0

0

1

0

1

0

B 5( )

0

0

0

0

0

0

1

0

0

0

0

0

0

0

0

1

0

0

K 5( )

1333.333

666.667

0

666.667

1333.333

0

0

0

0

A 6( )

0.333

0.333

0

0

0

1

1

0

0

0.333

0.333

0

0

0

1

0

1

0

B 6( )

0

0

0

0

0

0

1

0

0

0

0

0

0

0

0

1

0

0

K 6( )

1333.333

666.667

0

666.667

1333.333

0

0

0

0

Análisis Matricial de Estructuras

Ayudantes: Sergio Currilen, Diego Valdivieso Página 17

La matriz de rigidez:

Condensación a cada nivel:

Superior: t/m

Medio: Kc = 444.444 t/m

Inferior: Kc=888.889 t/m

Estructura II:

No existen compatibilidades, por lo tanto la matriz T es la matriz identidad de 2x2.

KT

1777.778

888.889

0

888.889

1777.778

888.889

0

888.889

888.889

Kc 296.296( )

orden

1

0

0

0

0

1

0

1

0

orden

0

1

0

0

0

1

1

0

0

E

3

3

3

3

90

90

90

90

1000

1000

1000

1000

0

0

0

0

0

0

1

1

0

0

0

0

0

0

0

0

1

1

2

2

0

0

0

0

0

0

0

0

A 1( )

0.333

0.333

0

0

0

1

1

0

0

0.333

0.333

0

0

0

1

0

1

0

B 1( )

0

0

0

1

0

0

0

0

0

0

0

0

K 1( )

1333.333

666.667

0

666.667

1333.333

0

0

0

0

A 2( )

0.333

0.333

0

0

0

1

1

0

0

0.333

0.333

0

0

0

1

0

1

0

B 2( )

0

0

0

1

0

0

0

0

0

0

0

0

K 2( )

1333.333

666.667

0

666.667

1333.333

0

0

0

0

Análisis Matricial de Estructuras

Ayudantes: Sergio Currilen, Diego Valdivieso Página 18

La Matriz de rigidez de la estructura es:

Condensación a los grados de libertad por nivel es:

Intermedio: Kc = 444.444 t/m

Inferior: Kc=888.889 t/m

Centro de Gravedad por Nivel:

Inferior: (2,2); Intermedio: (2,2); Superior: (4/3, 4/3)

Tabla resumen de cada elemento:

Matrices Beta de ordenamiento de los elementos resistentes en el diafragma, esta

matriz transforma los grados de libertad de cada elemento a grados de libertad de

borde de cada diafragma:

orden

0

1

1

0

1

Inferior 270 2

Intermedio 270 2

Superior 270 1.33

2 Inferior 0 2

Intermedio 0 2

3 Inferior 90 2

Intermedio 90 2

4

Inferior 180 2

Intermedio 180 2

Superior 180 1.33

A 3( )

0.333

0.333

0

0

0

1

1

0

0

0.333

0.333

0

0

0

1

0

1

0

B 3( )

1

0

0

0

0

0

0

0

0

1

0

0

K 3( )

1333.333

666.667

0

666.667

1333.333

0

0

0

0

A 4( )

0.333

0.333

0

0

0

1

1

0

0

0.333

0.333

0

0

0

1

0

1

0

B 4( )

1

0

0

0

0

0

0

0

0

1

0

0

K 4( )

1333.333

666.667

0

666.667

1333.333

0

0

0

0

KT1777.778

888.889

888.889

888.889

Análisis Matricial de Estructuras

Ayudantes: Sergio Currilen, Diego Valdivieso Página 19

Entonces la Matriz de Diafragma es:

Análisis Sísmico: Método Estático Nch 433 (hecho con decreto 2010)

Identificación de los parámetros para realizar el cálculo:

Curicó corresponde a la zona sísmica 2

El edificio corresponde a una cárcel, por lo que es categoría III

Factor de modificación a la respuesta sísmica es R=7

Clasificación de Suelo:

Su= 1Mpa; N1=33; y aplicando la fórmula para estratos menores a 15m de

profundidad, se obtiene un Vs= 280.788 m/s. Con estos tres parámetros

clasificamos el suelo según el decreto de emergencia como tipo III.

Valores de tablas según los datos de entrada descritos anteriormente:

Zona sísmica: Ao=0.3g

Tipo de Suelo: S=1.2, T`=0.85s, n=0.8

Categoría: I=1.2

Periodos naturales de vibración: Tx= 0.3s, Ty= 0.15s

B20

0

0

0

0

0

1

0

0

1

0

0

2

0

0

2

0

0

B1

1

0

0

0

1

0

0

0

1

0

0

0

0

0

0

0

0

0

2

0

0

0

2

0

0

0

4

3

B4

0

0

0

0

0

0

0

0

0

1

0

0

0

1

0

0

0

1

2

0

0

0

2

0

0

0

4

3

B31

0

0

1

0

0

0

0

0

0

0

0

2

0

0

2

0

0

3555.556

1777.778

0

0

0

0

0

0

0

1777.778

2666.667

888.889

0

0

0

0

1777.778

1185.185

0

888.889

888.889

0

0

0

0

1777.778

1185.185

0

0

0

3555.556

1777.778

0

0

0

0

0

0

0

1777.778

2666.667

888.889

0

1777.778

1185.185

0

0

0

0

888.889

888.889

0

1777.778

1185.185

0

0

0

0

0

0

28444.448

14222.224

0

0

1777.778

1777.778

0

1777.778

1777.778

14222.224

21333.336

4740.741

0

1185.185

1185.185

0

1185.185

1185.185

0

4740.741

3160.494

Análisis Matricial de Estructuras

Ayudantes: Sergio Currilen, Diego Valdivieso Página 20

Cmin= Ao/6g y Cmax= 0.35*S*Ao/g

Cálculo del Coeficiente Sísmico y del corte basal en cada dirección:

(

)

En dirección X:

(

)

En dirección Y:

(

)

Calculo del Peso sísmico por nivel:

Como es un lugar donde existe mucha aglomeración de personas en cada nivel

consideraremos un factor de reducción para la sobrecarga de un 50%, por tanto

los pesos por nivel son:

P1= 200*4*4+0.5*(0.8*4*4), luego P1=3206.4ton

P2= 200*4*4+0.5*(0.7*4*4), luego P2=3205.6ton Pt=8014ton

P3= 200*8+0.5*(0.5*8), luego P3=1602ton

El corte basal en ambas direcciones es igual, y se determina según la siguiente

expresión: Qb=C*I*P

Qb= 0.126*1.2*8014 Qb= 1211.717 ton

Calculo de fuerzas sísmicas por nivel:

En ambas direcciones serán las mismas fuerzas:

A1= 0.184, A2= 0.239; A3= 0.577 ∑ ton

Entonces las fuerzas sísmicas son:

Finf= 313.482 ton; Fint= 407.084 ton; Fsup= 491.151 ton

Análisis Matricial de Estructuras

Ayudantes: Sergio Currilen, Diego Valdivieso Página 21

Cálculo de excentricidades

Calculo centro de rigidez del diafragma, debido a la rigidez aportada por cada elemento resistente: Para el cálculo del centro de rigidez de cada diafragma hay que condensar las matrices de rigidez de cada elemento al grado que las afecta en el diafragma analizado; es necesario aplicar matrices de orden para cambiar el orden de los grados de libertad en la matriz de rigidez de cada elemento, para luego condensar.

El cálculo del centro de rigidez puede realizarse de dos maneras:

1) Realizando una especie de sumatoria de momento, respecto al centro de

rigidez (x,y) a encontrar; para esto consideramos las rigideces como si

fueran fuerzas.

2) Utilizando la expresión:

Nivel Inferior:

Rigidez de los marcos condensado al grado de liberta 1 es de 888.889 ton/m;

luego el cálculo es:

Nivel Intermedio:

Rigidez de los marcos condensado al grado de liberta 2 es de 444.444 ton/m;

luego el cálculo es:

Nivel Superior:

Rigidez de los marcos condensado al grado de liberta 3 es de 296.296 ton/m;

luego el cálculo es:

Análisis Matricial de Estructuras

Ayudantes: Sergio Currilen, Diego Valdivieso Página 22

Excentricidad

Excentricidad Estructural:

Calculo de la excentricidad estructural se realiza restando el centro de gravedad

con el centro de rigidez.

Excentricidad en dirección x e y por cada nivel se calcula como:

(ex ; ey) = (Xcg; Ycg) – (Xcr; Ycr)

Nivel Inferior:

(ex ; ey ) = (0; 0)

Nivel Intermedio:

(ex ; ey ) = (0; 0)

Nivel Superior:

(ex ; ey) = (4/3; 4/3)

Excentricidad Accidental:

Los resultados del análisis hecho para las fuerzas estáticas aplicadas en cada una

de las direcciones de acción sísmica, se deben combinar con los del análisis por

torsión accidental. Para este efecto, se deben aplicar momentos de torsión en

cada nivel, calculados como el producto de las fuerzas estáticas que actúan en

ese nivel por una excentricidad accidental dada por:

Para el sismo según X es:

Para el sismo según Y es:

Se debe considerar el signo igual al de las excentricidades estructurales por nivel.

Sismo Y Bkx Z e. accident e. estruc Excentricidad Fy Torsión

Inferior 4 3 0,133 0 0,133 313,482 -41,693

Intermedio 4 6 0,267 0 0,267 407,084 -108,691

Superior 4 9 0,4 1,333 1,733 491,151 -851,165

Sismo X Bky Z e. accident e. estruc Excentricidad Fx Torsión

Inferior 4 3 0,133 0 0,133 313,482 41,693

Intermedio 4 6 0,267 0 0,267 407,084 108,691

Superior 4 9 0,4 1,333 1,733 491,151 851,165

El signo negativo de la torsión generada por la fuerza en dirección Y, es porque el

momento que se genera es horario.

Calculo de solicitaciones sísmicas considerando el 80% en dirección X y un 30%

en dirección Y.

Análisis Matricial de Estructuras

Ayudantes: Sergio Currilen, Diego Valdivieso Página 23

Calculando los desplazamientos en todos los grados de libertad:

{r} =

Calculo de esfuerzos por cada estructura:

Los esfuerzos referidos a los grados de libertad horizontales se obtienen del

resultado de la siguiente expresión:

{ } [ ] { } { }

Estructura 1:

Estructura 2:

Estructura 3:

Estructura 4:

Suma de corte basal:

En X = 968.889 ton y debería de ser 969.374ton (0.8*Qb)

En Y = 362.667 ton y debería de ser 363.515 ton (0.3*Qb)

0.545

0.949

84125.721

0.204

0.356

84127.634

0.044

0.087

63095.482

127.111

21.926

413.63

48

211.556

123.556

282.667

44.444

68.148

126.815

R

250.786

325.667

392.921

94.045

122.125

147.345

20.847

54.346

425.583