sesión 1 (estructuras y ejemplo)

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Sesión 1 ECI

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Asignatura: Estructuras y Construcciones Industriales

Profesor: Jorge Arturo Ávila Haro

Ingeniero Civil -Universidad Nacional Autónoma de México (UNAM)

Master en Estructuras - Facultad de Posgrado en Ingeniería de la UNAM

Máster en Análisis Estructural de Monumentos y Construcciones Históricas -Universidad Politécnica de Cataluña

Doctorado en Ingeniería Sísmica y Dinámica Estructural - Universidad Politécnica de Cataluña

Especialización en: Análisis y diseño de estructuras Ingeniería sísmica y dinámica EstructuralVulnerabilidad y riesgo sísmicoMonumentos y Construcciones Históricas

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Correo: [email protected]

Ubicación: Sala común de profesores del Departamento de Resistencia de Materiales

Horarios de atención: Después de cada claseMañanas de 10:00 a 12:00 hrs (excepto Jueves)

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Descripción de la Asignatura

La asignatura de ECI se conforma de la parte correspondiente a Teoría y la parte referente a Prácticas.

El objetivo de la parte de Prácticas es poner al alumno en contacto con un ejemplo práctico, el cuál es fácil de encontrar en la vida diaria, y que involucra el diseño, modelización y dimensionamiento de una nave industrial, la elección del modelo que mejor se adapte a nuestras necesidades, la familiarización con las normativas vigentes y prontuarios de perfilería comercial, así como trazar una metodología de trabajo que nos permita optimizar el proceso anterior.

Referente a la utilización de los ordenadores, el Departamento de Informática nos ha solicitado de manera especial, prestar atención en el correcto uso de los mismos, por lo tanto la persona que sea sorprendida dando un uso ajeno al de esta clase (Facebook, Msn, correos, etc.) deberá de ser reportada.

La versión instalada de CYPE es la 2015, la cual tiene el complemento de Metal 3D.

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Evaluación:

Esta clase representará un porcentaje de la calificación final a ser definido por el profesor encargado de la parte teórica.

Es una asignatura presencial, por lo que la asistencia a clase es primordial para poder aprobarla. Debido a la oferta de la misma clase en otros horarios y días, el alumno que en alguna ocasión (excepcional y justificada) no pueda asistir a la sesión que le corresponde, podrá reponer dicha sesión en alguno de los otros grupos.

La evaluación se compone también de la entrega de 1 a 2 trabajos, una breve presentación final y un examen teórico-práctico.

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Referencias de apoyo:

El curso se basa en el libro publicado por Editorial ANAYA, con el nombre de CYPE 2008 Cálculo de estructuras metálicas con Nuevo Metal 3D , cuyo autor es Antonio Manuel Reyes Rodríguez. En él se encuentra el ejemplo que se desarrollará en clase.

El alumno no está obligado a comprar dicho texto, sin embargo, deberá considerarlo como una herramienta importante en caso de que requiera repasar los conceptos vistos o profundizar en ellos.

Normativa Vigente:

La normativa en la que se basan nuestros cálculos y la cual se encuentra “cargada” dentro del programa CYPE es el Código Técnico de la Edificación (CTE). Este código contiene varios aparatados, cada uno referente a aspectos que componen la totalidad de un proyecto.

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Dentro de estos apartados en los que se divide el CTE, encontramos algunos como los siguientes:

- Ahorro de Energía- Protección frente al Ruido- Salubridad- Seguridad Estructural (SE)- SE Acero- SE Cimientos- SE Fábrica- SE Madera- SE Acciones en la Edificación- Seguridad en la utilización- Seguridad en caso de incendio

Deberemos poner especial atención en el apartado referente a Seguridad Estructural, así como el referente a Acero.

Además del código vigente con el que el alumno deberá de familiarizarse, será necesario que también haga de su poder alguno de los prontuarios que las diferentes casas que se dedican a la fabricación de perfiles de acero ponen a disposición del público. En dichos prontuarios se concentran los distintos tipos de perfiles y elementos que normalmente en el mercado se encuentran, así como todas sus características.

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¿ Qué es una estructura?

¿Qué compone a una estructura?

¿Qué afecta a una estructura?

¿Qué tipos de estructuras tenemos?

¿Cómo deben de ser nuestras estructuras?

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Estructura:

Es la disposición y orden de las partes dentro de un todo.

En Ingeniería una estructura es toda construcción destinada a soportar su propio peso y la presencia de acciones exteriores sin perder las condiciones de funcionalidad para las que fue concebida ésta.

Está compuesta por una serie de elementos dispuestos de cierta manera, tales que son capaces de transferir las demandas a las que se ven solicitados por agentes externos. Se pueden mencionar por ejemplo: vigas, columnas, armaduras o cerchas, sistemas de piso, etc.

La estructura se ve solicitada ante distintas acciones a las que denominaremos cargas. Dentro de estas cargas podemos encontrar 3 tipos: cargas muertas, cargas vivas y cargas extraordinarias.

Las cargas muertas corresponden a los pesos de todos los elementos constructivos, de los acabados y de todos los elementos que ocupan una posición permanente y tienenun peso que no cambia sustancialmente con el tiempo. Para la evaluación de las cargas muertas se emplearán las dimensiones especificadas de los elementos constructivosy los pesos unitarios de los materiales.

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Las cargas vivas corresponden a las fuerzas que se producen por el uso y ocupación de las edificaciones y que no tienen carácter permanente. Las cargas especificadas no incluyen el peso de muros divisorios de mampostería o de otros materiales, ni el de muebles, equipos u objetos de peso fuera de lo común, como cajas fuertes de gran tamaño, archivos importantes, libreros pesados o cortinajes en salas de espectáculos. Cuando se prevean tales cargas deberán cuantificarse y tomarse en cuenta en el diseño en forma independiente de la carga viva especificada.

Durante el proceso de edificación deberán considerarse las cargas vivas transitorias que puedan producirse. Éstas incluirán el peso de los materiales que se almacenen temporalmente, el de los vehículos y equipo, el de colado de plantas superiores que se apoyen en la planta que se analiza y del personal necesario.

Las acciones accidentales son las que no se deben al funcionamiento normal de la edificación y que pueden alcanzar intensidades significativas sólo durante lapsos breves. Pertenecen a esta categoría: las acciones sísmicas; los efectos del viento; las cargas de granizo; los efectos de explosiones, incendios y otros fenómenos que pueden presentarse en casos extraordinarios. Será necesario tomar precauciones en las estructuras, en su cimentación y en los detalles constructivos, para evitar un comportamiento catastrófico de la estructura para el caso de que ocurran estas acciones.

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Existen distintos tipos de estructuras, y dentro de cada tipo existen variantes.

Podemos mencionar por ejemplo:

•Edificios para uso vivienda, uso oficina.•Bibliotecas•Presas•Estadios•Naves industriales•Centrales eléctricas•Hospitales•Centrales telefónicas•Centrales nucleares•Aeropuertos•Puertos•Etc., etc. etc.

A primera instancia podemos notar la diferencia entre la importancia que tienen unos con respecto a otros. Es por ello que se hace una clasificación en dos grupos. Se tendrá el grupo de estructuras conocido como “Líneas Vitales”, así como el grupo de estructuras normales.

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Como su nombre lo dice, las estructuras pertenecientes al grupo de “Líneas Vitales” son aquéllas que, por su importancia, no pueden fallar al momento de ocurrir una catástrofe.

Imaginemos que en un gran terremoto perdiéramos la capacidad hospitalaria que se tiene, o que una gran presa fallase y provocara una gran inundación. Que el puente que une dos grandes ciudades quedara inhabilitado impidiendo con esto la llegada de suministros a alguna de ellas, etc.

Es por ello que estas estructuras son diseñadas incrementando algunos de los factores que normalmente se tienen en los códigos, con la finalidad de diseñarlas capaces de mantener su funcionalidad ante un gran evento.

Existen una gran cantidad de parámetros que debemos tomar para realizar un buen diseño/análisis de nuestras estructuras. Primeramente habríamos de definir el tipo de uso que tendrá, así mismo las características de lo que será “contenido” en ellas. La ubicación de las mismas es un dato primordial al momento de diseñar contra diversas acciones. El material a emplear, las colindancias con otras estructuras, la facilidad de acceso al lugar, el tipo de maquinaria que se requerirá para hacer su levantamiento, entre otros.

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Mediante estudios previos y basándonos en datos estadísticos, algunos de estos parámetros pueden ser fácilmente calculados o tomados de diversas referencias actualmente. Tal es el caso para las acciones correspondientes a sismo, a viento, a nieve, etc.

Existen distintos mapas característicos de diferentes zonas, los cuales nos presentan las intensidades típicas medias para las cuales habremos de diseñar nuestra estructura.

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A manera de resumen, deberemos de obtener una estructura eficaz desde los puntos de vista:

+ RESISTENTE+ CONSTRUCTIVO+ ECONÓMICO

Tomando aspectos en cuenta como:

- Uso- Precio- Materiales- Confort (climático, lumínico)- Proceso constructivo- Ubicación- Muchos otros más…

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El cálculo estructural ha ido evolucionando al igual que lo ha hecho la tecnología y los conocimientos en este campo.

Nos cuesta trabajo imaginar que anteriormente las cosas se hicieran de distinta manera, sin embargo, es importante reconocer que de no haber sido hechas de dicha forma, quizás no estaríamos en el punto que actualmente nos encontramos.

Años atrás el cálculo de una estructura representaba un arduo trabajo para el Ingeniero, llevándole incluso meses poder plasmar lo que ahora podemos realizar en un par de semanas o incluso menos.

Esto significaba la imposibilidad de realizar demasiadas variaciones en los elementos y sus propiedades, puesto que de hacerlo los cálculos habrían de ser repetidos y por lo tanto implicaba una mayor cantidad de tiempo. Esto no significa que se hicieran las cosas mal, simplemente que se hacían las cosas tal y como era la forma clásica de hacerlas, sin mucha opción a “experimentar”.

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Con el paso de los años y la divulgación del conocimiento, los métodos clásicos de cálculo fueron perfeccionándose y cambiándose por otros que permitían una mayor facilidad y agilidad en su realización. Actualmente los métodos matriciales son los que nos han permitido realizar un sin fin de avances debido a su fácil manera de programar y de interpretar.

Este cálculo matricial conlleva el cálculo de una matriz de rigidez que al ser multiplicada por el vector de desplazamientos nodales, nos permite obtener un vector de esfuerzos para cada elemento.

Es así como los programas informáticos incorporan este tipo de cálculo a sus entrañas y permiten realizar las grandes modelaciones que se hacen hoy en día.

Debemos entender que estos programas solamente son una MODELACIÓN de la realidad, en ningún momento son la realidad misma.

Los programas se componen de 3 principales partes:- Preprocesador: definición geométrica de la estructura, definición de las características de los materiales de construcción, definición de las

acciones, definición de las normativas en uso contra las cuales el programa hará comprobaciones, etc.

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- Cuerpo de cálculo: en esta parte se realizan todos los cálculos, iteraciones, discretizaciones y operaciones para las que el programa haya sido hecho. Sin embargo, esta parte es difícilmente editable por nosotros , sin tener

conocimiento exacto de qué es lo que está siendo realizado. Esta parte podría asimilarse con una caja negra, en la cual se realizan ciertos procesos a partir de la información otorgada y finalmente se nos entregan ciertos resultados.

Habrá que prestar especial atención en este apartado debido a que es en él donde se centran los principales problemas del uso de este tipo de

programas. Como se mencionó anteriormente, en tiempos pasados el Ingeniero estaba presente en todos y cada uno de los cálculos, permitiéndole con ello obtener una gran sensibilidad acerca de los valores que se introducían y obtenían. Era capaz de, con solamente observar la estructura, tener una estima del rango de resultados que deberían de obtenerse por cada elemento, por ejemplo.

Esta mencionada “sensibilidad” se ha ido perdiendo a manera de que se han ido facilitando las cosas y quitando trabajo numérico a los calculistas. El proceso se ha reducido a una serie de clicks e introducción de datos que muchas veces solamente se hacen como un proceso mecanizado sin el real conocimiento de lo que se está haciendo.

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Es primordial que la persona que de uso a estos programas sea capaz de saber a grosso modo lo que está haciendo, la importancia y función de cada click

que da. Así mismo sobre la magnitud de resultados que se esperarían.

Lo que nosotros introduzcamos al programa y la forma en que lo hagamos, no será revisado por el mismo programa, él solo ejecutará los comandos para los que ha sido programado sin advertirnos previamente si las unidades que estamos introduciendo son las correctas, o si el valor de cierto coeficiente no es el más apropiado. Es por ello que la información que tengamos y que demos al programa deberá ser revisada minuciosamente, para así evitar resultados que de nada nos servirán puesto que no se parecen en nada a los que necesitamos.

“SI NOSOTROS METEMOS CHATARRA… OBTENDREMOS CHATARRA”

Ejemplo : Calculadora científica y cálculo de sin(90)

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- Postprocesador: se refiere a la presentación de los resultados, comprobación de estados límite ante las normativas, gráficos, etc. Esta información será

obtenida de alguna forma, no obstante es posible que nosotros tengamos que darle un cierto tratamiento para poder expresarla de la manera en que mejor la entendamos o que mejor cubra nuestras necesidades, así como de una forma fácil de explicar a nuestro cliente y/o alguna otra persona que esté interesada en ello.

Actualmente, la mayoría de este tipo de programas tienen a converger hacia un mismo interfaz gráfico, con menús desplegables muy parecidos, capacidad de importar o exportar archivos de uno a otro. Por lo tanto no será necesario saber la forma en que trabajan absolutamente todos, será mejor conocer el funcionamiento a fondo de uno de ellos y después hacer el “reconocimiento” y adaptaciones de los otros. Es fundamental saber reconocer las fortalezas y las debilidades de cada uno de ellos, con la finalidad de saber cuál elegir para determinados cálculos o proyectos que tengamos.

En el mercado, además de CYPE, se encuentran otros muy poderosos, tal es el caso de: SAP2000, ETABS, SAFE, STAAD Pro, RUAUMOKO, ROBOT, CSI Col, etc., etc., etc.

Analogía del técnico de informática