Metal 3D Generador de Pórticos Versión 2003 Software para Arquitectura, Ingeniería y Construcción CYPE INGENIEROS
2 Metal 3D - Potencia y eficacia para las estructuras metálicas
Metal 3D - Potencia y eficacia para las estructuras metálicas 3 Índice general Presentación... 7 1. Memoria de cálculo... 9 1.1. Introducción... 9 1.2. Análisis efectuado... 10 1.3. Materiales empleados... 11 1.4. Cálculo de tensiones... 13 1.4.1. Acciones consideradas... 13 1.4.2. Combinaciones... 13 1.4.3. Obtención de esfuerzos... 14 1.5. Comprobaciones realizadas... 15 1.6. Cálculo de la longitud de pandeo... 16 1.7. Cimentación... 18 1.7.1. Zapatas aisladas... 18 1.7.2. Encepados (sobre pilotes)... 19 1.7.3. Placas de Anclaje... 20 2. Datos de entrada... 22 2.1. Introducción de la geometría... 22 2.1.1. De forma manual... 22 2.1.2. Con una captura por DXF... 22 2.1.3. Importando un fichero de texto o un DXF... 22 2.1.4. Mediante generación... 23 2.2. Descripción de nudos... 23 2.3. Descripción de perfiles... 24 2.4. Descripción de materiales... 26 2.5. Agrupación de barras... 26 2.6. Pandeo... 26 2.7. Pandeo lateral... 26 2.8. Flecha límite... 27 2.9. Perfil real... 27 2.10. Pieza... 27 2.11. Coeficientes de empotramiento... 27
4 Metal 3D - Potencia y eficacia para las estructuras metálicas 2.12. Cargas... 27 2.12.1. Desplazamientos prescritos... 28 2.13. Cimentación... 28 3. Cálculo y resultados... 31 3.1. Proceso de cálculo... 31 3.2. Comprobación de barras... 31 3.3. Redimensión... 31 3.4. Obtención de resultados... 31 3.4.1. Desplazamientos... 31 3.4.2. Reacciones... 31 3.4.3. Empresillado... 31 3.4.4. Sismo dinámico... 32 3.4.5. Leyes... 32 3.4.6. Envolventes... 32 3.4.7. Leyes en un punto... 32 3.4.8. Envolventes en un punto... 32 3.4.9. Ley máxima y envolvente máxima...33 3.4.10. Zapatas... 33 3.4.11. Encepados sobre pilotes... 33 3.4.12. Placas anclaje... 33 4. Listados y planos... 34 4.1. Listados por impresora... 34 4.2. Dibujo de planos... 34 5. Generador de Pórticos... 36
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Metal 3D - Potencia y eficacia para las estructuras metálicas 7 Presentación Éste es un programa específicamente desarrollado para facilitar el cálculo y diseño de estructuras metálicas de manera ágil y precisa. Con esta aplicación puede trabajar de manera totalmente interactiva con ventanas en dos y tres dimensiones. Contiene una completísima base de datos de perfiles laminados, conformados y armados, con todos los tipos posibles, sin simplificaciones. Calcula cualquier tipo de estructura realizando todas las comprobaciones exigidas por la norma.
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Metal 3D - Potencia y eficacia para las estructuras metálicas 9 1. Memoria de cálculo 1.1. Introducción Metal 3D calcula estructuras tridimensionales (3D) definidas con elementos tipo barras en el espacio y nudos en la intersección de las mismas. Puede emplear cualquier tipo de material para las barras. La estructura se define a partir de las características mecánicas y geométricas. Si emplea acero, obtendrá su dimensionado de forma automática. La introducción de datos y la consulta de resultados se realiza de forma gráfica. Ambos se pueden imprimir o exportar en un fichero de texto. Los planos y las leyes de esfuerzos se pueden dibujar con una impresora o un plotter, aunque también es posible crear ficheros DXF y metaficheros. Vistas de una estructura metálica.
10 Metal 3D - Potencia y eficacia para las estructuras metálicas 1.2. Análisis efectuado El programa considera un comportamiento elástico y lineal de los materiales. Las barras definidas son elementos lineales. Las cargas de las barras se pueden aplicar en cualquier dirección. Las cargas pueden ser uniformes, triangulares, trapezoidales, puntuales, momentos e incremento de temperatura diferente en caras opuestas. En los nudos se pueden aplicar cargas puntuales en cualquier dirección. Se emplean nudos totalmente genéricos y se admiten uniones empotradas, articuladas, empotradas elásticamente, vinculaciones entre las barras y entre éstas y el nudo. Utiliza cualquier tipo de apoyo. Es posible emplear apoyos elásticos en cualquier dirección y zapatas de hormigón armado. También puede emplear desplazamientos y giros impuestos para cada hipótesis de carga. Las hipótesis de carga no tienen limitación en cuanto a su número. Según su origen, se podrán asignar a peso propio, sobrecarga, viento, sismo y nieve. A partir de las hipótesis básicas puede definir y calcular cualquier tipo de combinación con diferentes coeficientes. Podrá establecer hasta 8 estados de combinación diferentes: Hipótesis simples. Hormigón (estados límite últimos). Cimentación. Equilibrio (estados límite últimos). Cimentación. Tensiones del terreno (tensiones admisibles). Genéricas. Desplazamientos (estados límite de servicio). Acero (laminado y armado). Acero (conformado). Para cada estado puede definir un número indeterminado de combinaciones, indicando su nombre y sus coeficientes. A partir de la geometría se obtiene la matriz de rigidez de la estructura y las matrices de cargas por hipótesis simples. La matriz de desplazamientos de los nudos de la estructura se obtiene invirtiendo la matriz de rigidez por métodos frontales. Después de hallar los desplazamientos por hipótesis, se calculan todas las combinaciones para todos los estados y los esfuerzos en cualquier sección a partir de los esfuerzos en los extremos de las barras y las cargas aplicadas en las mismas.
Metal 3D - Potencia y eficacia para las estructuras metálicas 11 Desplazamientos 1.3. Materiales empleados Los materiales que puede emplear Metal 3D se clasifican en cuatro tipos: genéricos, hormigón armado, acero laminado y armado y acero conformado. 1. Materiales genéricos. Las características de los materiales pueden introducirse de forma genérica. En ese caso debe indicar: Módulo de elasticidad longitudinal (E). Módulo de elasticidad transversal (G). Inercia de torsión (lt). Inercia alrededor del eje Y local (ly). Inercia alrededor del eje Z local (lz). Sección transversal (Ax). Peso específico (γ). Coeficiente de dilatación térmica (α).
12 Metal 3D - Potencia y eficacia para las estructuras metálicas 2. Hormigón armado. Si emplea barras de hormigón, ya sean de sección rectangular o circular, debe indicar: Resistencia característica del hormigón (f ck ) o tipo de hormigón. Dimensiones: - rectangular (ancho y canto): B x H - circular (diámetro): D 3. Acero. Si emplea la biblioteca de perfiles de acero que Metal 3D ofrece por defecto, podrá seleccionar de la tipología disponible los perfiles que va a utilizar en cada obra. Si, por el contrario, desea crear nuevas series y tipos de perfiles, tendrá que indicar en cada caso la geometría y los datos necesarios según la tipología del perfil. Existen unos archivos con las características de los tipos de acero. También se incluyen los parámetros de material para pernos y tornillos, si calcula las placas de anclaje. Biblioteca de perfiles
Metal 3D - Potencia y eficacia para las estructuras metálicas 13 1.4. Cálculo de tensiones 1.4.1. Acciones consideradas Metal 3D considera las acciones características para cada una de las hipótesis simples definibles: Peso propio Sobrecarga Viento Sismo Nieve Edición de hipótesis de carga 1.4.2. Combinaciones Se consideran las acciones multiplicadas por los coeficientes de ponderación de la biblioteca de combinaciones.
14 Metal 3D - Potencia y eficacia para las estructuras metálicas Se forman las combinaciones previstas en la tabla y las que hayan sido definidas o modificadas para cada cálculo, seleccionando en el grupo de combinaciones correspondiente el estado que se va a calcular. Combinaciones de cálculo 1.4.3. Obtención de esfuerzos Para cada combinación empleada se obtienen los esfuerzos mayorados o ponderados, que, en general, serán: Axiles (en la dirección del eje x local). Cortantes (en la dirección de los ejes y y z locales). Momentos (en la dirección de los ejes y y z locales). Torsor (en la dirección del eje x local). Los esfuerzos se obtienen por hipótesis simples o por combinaciones de todos los estados considerados. Esto servirá para el estudio y comprobación de deformaciones y tensiones en las piezas.
Metal 3D - Potencia y eficacia para las estructuras metálicas 15 Obtención de esfuerzos 1.5. Comprobaciones realizadas Metal 3D comprueba y dimensiona las barras de la estructura según 3 criterios límite: Tensión. Esbeltez. Flecha. Además, realiza comprobaciones de abolladura y pandeo lateral, que, si existen, hacen que el perfil sea incorrecto. Si se superan los límites, Metal 3D puede realizar un dimensionado para hallar en la tabla de perfiles una sección, si existe, que cumpla todas las condiciones.
16 Metal 3D - Potencia y eficacia para las estructuras metálicas Comprobación de perfiles 1.6. Cálculo de la longitud de pandeo La longitud de pandeo expresa la distancia entre dos puntos de inflexión consecutivos de la barra, cuando se deforma al pandear. Por tanto, puede ser mayor o menor que la longitud o distancia entre nudos, según las condiciones de vinculación en los extremos. Para determinar la longitud de pandeo se debe conocer el coeficiente β, ya que: donde, L k: Longitud de pandeo L: Longitud de la barra entre nudos L k = β L El programa asigna, por defecto, un coeficiente β = 1, pero es posible modificar este valor. De hecho, al calcular, si no ha asignado ningún coeficiente, el programa avisa de esta circunstancia para que analice si es preciso modificar estos coeficientes en función del tipo de estructura y geometría. Los coeficientes β se deben establecer respecto a los ejes locales de cada barra en los posibles planos de pandeo y en dos direcciones ortogonales: xz, xy.
Metal 3D - Potencia y eficacia para las estructuras metálicas 17 La asignación de coeficientes β se puede realizar de forma manual, por cálculo aproximado o con un cálculo exacto como barra aislada. 1. Asignación manual. Consiste en introducir el valor de β que estime conveniente. 2. Cálculo aproximado. Se basa en fórmulas comúnmente aceptadas, pero cuya validez se limita a estructuras sensiblemente ortogonales, que se diferencian en su comportamiento por su desplazabilidad. En este caso se aceptan estas hipótesis: Los soportes pandean simultáneamente. Se desprecia el acortamiento elástico de los soportes. Las vigas se comportan elásticamente y se unen de forma rígida a los soportes. No se modifica la rigidez de las vigas por esfuerzos normales. 3. Cálculo exacto. Está basado en la sustitución de una barra por sus resortes elásticos en sus extremos. Se calcula la estructura con las reacciones en dichos extremos (momentos en los extremos y una carga normal al eje) y se obtiene el coeficiente β para dicha barra. Esto supone que para determinar β hay que realizar un cálculo de la estructura para cada barra de la que desee determinar su coeficiente, lo que exige un mayor esfuerzo de cálculo. Este proceso se realiza después de seleccionar las barras de las que desea obtener por este método el coeficiente de pandeo. El tiempo necesario para el cálculo dependerá del tamaño de la estructura y el número de barras seleccionadas. Cálculo de la longitud de pandeo
18 Metal 3D - Potencia y eficacia para las estructuras metálicas 1.7. Cimentación 1.7.1. Zapatas aisladas Los tipos de zapatas que resuelve el programa son: Zapatas de canto constante. Zapatas de canto variable o piramidales. En planta se clasifican en: Cuadradas. Rectangulares centradas. Rectangulares excéntricas (caso particular: medianeras y de esquina). Edición de zapatas
Metal 3D - Potencia y eficacia para las estructuras metálicas 19 1.7.2. Encepados (sobre pilotes) El programa calcula encepados de hormigón armado sobre pilotes de sección cuadrada o circular de acuerdo a las siguientes tipologías: Encepado de 1 pilote (A). Encepado de 2 pilotes (B). Encepado de 3 pilotes (C). Encepado de 4 pilotes (D). Encepado lineal. Puede elegir el número de pilotes. Por defecto son 3 (B). Encepado rectangular. Puede elegir el número de pilotes. Por defecto son 9 (D). Encepado rectangular sobre 5 pilotes, uno de ellos central (D). Encepado pentagonal sobre 5 pilotes (C). Encepado pentagonal sobre 6 pilotes (C). Encepado hexagonal sobre 6 pilotes (C). Encepado hexagonal sobre 7 pilotes, uno de ellos central (C). Criterios de cálculo Los encepados (A) se basan en el modelo de cargas concentradas sobre macizos. Se arman con cercos verticales y horizontales (opcionalmente con diagonales). Los encepados (B) se basan en modelos de bielas y tirantes. Se arman como vigas, con armadura longitudinal inferior, superior y piel, además de cercos verticales. Los encepados (C) se basan en modelos de bielas y tirantes. Se pueden armar con vigas laterales, diagonales, parrillas inferiores y superiores y armadura perimetral de zunchado. Los encepados (D) se basan en modelos de bielas y tirantes. Se pueden armar con vigas laterales, diagonales (salvo el rectangular), parrillas inferiores y superiores.
20 Metal 3D - Potencia y eficacia para las estructuras metálicas Edición de encepados 1.7.3. Placas de Anclaje En la comprobación de una placa de anclaje, el programa toma como hipótesis básica la de placa rígida o hipótesis de Bernouilli. Por tanto, se supone que la placa permanece plana ante los esfuerzos a los que se ve sometida. Se pueden despreciar sus deformaciones a efectos del reparto de cargas.
Metal 3D - Potencia y eficacia para las estructuras metálicas 21 Para que esto se cumpla, la placa de anclaje debe ser simétrica, lo que siempre garantiza el programa, y suficientemente rígida (espesor mínimo en función del lado). Edición de placas de anclaje
22 Metal 3D - Potencia y eficacia para las estructuras metálicas 2. Datos de entrada 2.1. Introducción de la geometría 2.1.1. De forma manual Pinchando directamente la barra, con el ratón, o mediante coordenadas. 2.1.2. Con una captura por DXF Los DXF que se pueden visualizar con Metal 3D deben tener 2 dimensiones y se visualizan en una ventana 2D. Cuando tenga a la vista un DXF puede introducir un nudo haciendo clic con y ayudándose de las capturas. Con este método no necesita acotar, pues el DXF ya está acotado. 2.1.3. Importando un fichero de texto o un DXF Puede generar la geometría de una estructura a partir de un DXF que contenga los elementos necesarios. Podrá desactivar las capas que no desee importar. El programa rastrea el fichero buscando las entidades que tienen barras. En los extremos de las barras se generan los nudos. Al seleccionar la opción Importar DXF se abre una ventana que permite seleccionar el fichero DXF que contiene la información deseada. Una vez hecho esto, se abre una nueva ventana para seleccionar el tipo de entidades. Importación de DXF Indica que debe pulsar el botón derecho del ratón. Indica que debe pulsar el botón izquierdo del ratón.
Metal 3D - Potencia y eficacia para las estructuras metálicas 23 2.1.4. Mediante generación Puede repetir planos, nudos o barras a una distancia dada o también generar una malla de tetraedros. Existen tres opciones en este diálogo: Genera planos Genera nudos y barras Genera malla de tetraedros. 2.2. Descripción de nudos Puede indicar las relaciones que hay entre las barras que conforman el nudo y las relaciones del nudo con el exterior. Descripción de nudos
24 Metal 3D - Potencia y eficacia para las estructuras metálicas 2.3. Descripción de perfiles Descripción de perfiles Utilizar la biblioteca de perfiles metálicos presenta grandes ventajas: Existen varias bibliotecas de distintos países (AHMSA, ARBED, CINTAC, ENSIDESA, TABE- LAS, TECNO, etc.). Las bibliotecas se desvinculan de la norma seleccionada. Puede utilizar la biblioteca de cualquier país, independientemente de la norma seleccionada. Puede crear bibliotecas personalizadas. Cuando crea perfiles nuevos, el programa puede chequear los datos de inercias, etc. Esto, además de ahorrar trabajo, evita errores de cálculo o de transcripción. Edición de perfiles
Metal 3D - Potencia y eficacia para las estructuras metálicas 25 No es necesario definir secciones compuestas. Si crea una biblioteca con un UPN, no necesita definir 2 UPN unidos por el alma o por las alas. Composición de perfiles Puede introducir perfiles que no estén en una biblioteca. Son los perfiles editables. Perfiles editables
26 Metal 3D - Potencia y eficacia para las estructuras metálicas 2.4. Descripción de materiales Puede asignar un material a las barras previamente descritas. 2.5. Agrupación de barras Puede unificar barras frente al dimensionado. Si agrupa una serie de barras, al describir los datos de una, éstos se aplican a todas las barras del grupo. Sin embargo, pueden tener distintos coeficientes de pandeo, distintas limitaciones de flecha, unas pueden tener cartelas y otras del grupo no e, incluso, pueden tener cargas distintas. 2.6. Pandeo Como se ha visto anteriormente puede calcular los coeficientes de pandeo de forma automática o introducirlo de forma manual. 2.7. Pandeo lateral No debe confundir el pandeo lateral con el pandeo perpendicular al pórtico donde se encuentra un perfil. Descripción de pandeo lateral
Metal 3D - Potencia y eficacia para las estructuras metálicas 27 2.8. Flecha límite Se emplea para imponer una limitación de la flecha en las barras según cualquiera de los ejes locales. Asignación de flecha límite 2.9. Perfil real Esta opción permite dibujar las dimensiones reales de la sección de un perfil. 2.10. Pieza Esta utilidad sirve para que varias barras que estén en prolongación recta actúen como una sola pieza a la hora de describir el perfil. 2.11. Coeficientes de empotramiento Puede definir los coeficientes de empotramiento de los extremos de una barra con los nudos que la definen. 2.12. Cargas Puede aplicar cargas a las barras y nudos. Las cargas pueden ser de varios tipos: Puntuales. Lineales. Lineales en faja.
28 Metal 3D - Potencia y eficacia para las estructuras metálicas Triangulares en faja. Trapezoidales en faja. Momentos. Incrementos de temperatura. Descripción de cargas Sismo automático. Puede elegir Sismo estático o Sismo dinámico. Con el primero, es usted quien introduce las cargas de sismo y crea las hipótesis que considere necesarias. Con Sismo dinámico se elige la norma que se va a aplicar. 2.12.1. Desplazamientos prescritos Esta opción permite aplicar a un nudo con coacciones exteriores unos desplazamientos impuestos. Además, podrá asignar los esfuerzos que provocarán estos desplazamientos a la hipótesis de carga que se desee. 2.13. Cimentación En los pilares puede calcular zapatas aisladas, encepados según la tipología incluida de casos resueltos y de placas de anclaje.
Metal 3D - Potencia y eficacia para las estructuras metálicas 29 Edición de zapatas Edición de encepados
30 Metal 3D - Potencia y eficacia para las estructuras metálicas Edición de placas de anclaje
Metal 3D - Potencia y eficacia para las estructuras metálicas 31 3. Cálculo y resultados 3.1. Proceso de cálculo Cuando haya introducido todos los datos, podrá comenzar el cálculo de la estructura. Si no hay combinaciones para las hipótesis introducidas, el cálculo se detendrá y se emitirá un mensaje de aviso. Si no ha descrito algún nudo o barra, el programa también lo indicará. 3.2. Comprobación de barras Como se ha visto anteriormente puede consultar si las barras superan o no las tensiones admisibles, el límite de esbeltez, la flecha o si el perfil es incorrecto por algún otro motivo. Esta opción es automática y al activarla todas aquellas barras que no cumplan por algún motivo se mostrarán en color rojo. 3.3. Redimensión Se aumentará la sección siempre que sea necesario para que pueda absorber la tensión máxima admisible, el límite de esbeltez, la flecha o algún otro motivo. 3.4. Obtención de resultados 3.4.1. Desplazamientos Esta opción permite obtener los desplazamientos lineales de los nudos en metros, y el giro en radianes. 3.4.2. Reacciones Para consultar las reacciones en un apoyo seleccione esta opción. 3.4.3. Empresillado Informa sobre el número total de presillas, su separación, el canto, el espesor, el cortante de cálculo y la esbeltez complementaria que proporciona esta disposición de presillas y que afecta al cálculo a pandeo de la barra.
32 Metal 3D - Potencia y eficacia para las estructuras metálicas 3.4.4. Sismo dinámico Esta opción permite visualizar e imprimir un listado con todos los parámetros introducidos en el cálculo del sismo dinámico, así como los resultados de los distintos modos de vibración. 3.4.5. Leyes Puede obtener las leyes de esfuerzos dibujadas sobre la estructura, deformada, etc. 3.4.6. Envolventes Proporciona la misma información que la opción Leyes, pero en este caso los resultados obtenidos son las envolventes de todas las combinaciones y no hay que seleccionar ninguna combinación. Es decir, para cada esfuerzo (axil, momento o cortante) existen dos valores, el máximo y el mínimo. 3.4.7. Leyes en un punto Valores numéricos de las leyes en un punto determinado de una barra. 3.4.8. Envolventes en un punto Para hallar las envolventes de un punto determinado de una barra. Leyes
Metal 3D - Potencia y eficacia para las estructuras metálicas 33 3.4.9. Ley máxima y envolvente máxima Para consultar los valores máximos de leyes y de envolventes de cualquier barra. 3.4.10. Zapatas Puede consultar y editar las zapatas calculadas. 3.4.11. Encepados sobre pilotes Puede consultar y editar las encepados sobre pilotes. 3.4.12. Placas anclaje Puede consultar y editar las placas de anclaje.
34 Metal 3D - Potencia y eficacia para las estructuras metálicas 4. Listados y planos 4.1. Listados por impresora Los datos introducidos y los resultados de cálculo se pueden imprimir o exportar en un fichero de texto. Selección de listados 4.2. Dibujo de planos Los planos de proyecto se pueden configurar en diferentes formatos y tamaños de papel. Además, puede dibujar con plotter o impresora o crear ficheros DXF. Debe configurar los periféricos en Windows para su correcto funcionamiento y debe tener instalados los drivers correspondientes. En el plano puede incluir cualquier tipo de detalle constructivo o dibujo en formato DXF, además de utilizar los recursos de edición que permite el programa: textos, líneas, arcos, DXF. Puede aplicar cualquier escala, grosor de los trazos, tamaño de letra, cajetín, etc. De esta forma, puede personalizar completamente el dibujo del plano.
Metal 3D - Potencia y eficacia para las estructuras metálicas 35 Todos los elementos están distribuidos en capas y se pueden seleccionar para cada dibujo los elementos deseados. Dibujo de planos
36 Metal 3D - Potencia y eficacia para las estructuras metálicas 5. Generador de Pórticos Es la herramienta complementaria para trabajar con Metal 3D que permite crear de forma muy sencilla y rápida la geometría y las cargas de peso propio, viento y nieve de una estructura. Proporciona el dimensionado de correas de cubiertas y laterales de fachadas, optimizando el perfil y la separación entre correas. Gracias a sus menús gráficos y explicativos basta con elegir la localidad donde se sitúa la estructura y el Generador de Pórticos hará el resto, produciendo automáticamente las cargas de viento según la norma elegida y las cargas de nieve. La geometría de los pórticos puede ser muy diversa, ya que puede crear pórticos de nudos rígidos y pórticos de celosía con varios tipos de cerchas. Podrá visualizar las cargas sobre los pórticos. Proporciona una memoria de cálculo con los datos y resultados obtenidos. Al finalizar, podrá exportar fácilmente la geometría y las cargas a Metal 3D.