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Zigurat Global Institute of Technology
Interoperabilidad BIM aplicada al diseño estructural en acero II
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Como veíamos en la primera parte de esta serie de artículos, la interoperabilidad a partir del uso de la metodología BIM (Building Information Modelling) ayuda a facilitar el trabajo de los proyectistas estructurales. Por eso, en el Máster Internacional de Estructuras Metálicas y Mixtas de Zigurat potenciamos de forma continuada todos estos recursos BIM orientados al diseño estructural en acero.
En este segundo artículo seguimos trabajando dentro del flujo de trabajo para “Despachos de ingeniería” y ahora nos proponemos analizar cómo incorporar el diseño de las conexiones de nuestro pórtico con Idea Statica Connection.
Recordemos que en nuestro modelo del pórtico plano en Consteel habíamos introducido las cargas de forma manual y el programa las había combinado de forma automática de acuerdo a los coeficientes de combinación de la norma. Señalar que se habían creado 33 combinaciones para comprobaciones ELU (Estados Límite Últimos) y otras 7 para ELS (Estados Límite en Servicio). Por lo tanto, lo primero que vamos a hacer es identificar en Consteel cuáles son las combinaciones de carga dominantes, es decir, para qué combinaciones se obtienen los esfuerzos máximos: Axil (N), Momento flector (Mf) y Cortante (V). Lo vamos a analizar para la conexión entre dintel y columna. Estos nos permitirá ver, más tarde, si estas combinaciones dominantes se exportan correctamente a Idea. Arrancamos viendo la distribución de momentos flectores (DMF: Diagrama Momentos Flectores):
Fijémonos como consultando por “envolventes para combinaciones ELU” se representan los dos DMF extremos:
-58,44 kNm
Combinación 9
236,21 kNm
Combinación 22 Las combinaciones dominantes en términos de flectores son la 22 y la 9. Se corresponden con el caso de máxima carga vertical gravitatoria y el caso en el que maximizamos el viento de succión respectivamente:
De nuevo las combinaciones 22 y 9 son dominantes en términos de cortante.
Añadimos también la combinación 17 a nuestra lista de combinaciones dominantes debido a los esfuerzos axiles. Es con esta combinación cuando se genera el mayor axil positivo en el nudo estudiado:
Es la combinación de cargas que mayora el viento V2 (viento longitudinal a la nave)…
… por lo que se genera succión en la cubierta y en el nudo de alero que estamos analizando aparecen tracciones.
Identificadas las combinaciones dominantes 9, 17 y 22, ya estamos en disposición de incorporar en Consteel una conexión que vamos a diseñar y dimensionar con Idea. Creamos un nuevo nudo:
Consteel reconoce la geometría de las barras que confluyen. Marcamos el botón de Idea.
Y posicionamos la conexión sobre el modelo de Consteel en todas aquellos nudos donde un mismo diseño de conexión podrá ser aplicado.
De forma automática se reconoce la conexión y se despliega Idea:
Tras esta exportación, fijémonos como se han generado básicamente 2 tipos de archivos:
- Archivo extensión “.ideaCon”: archivo de proyecto de la conexión en Idea. Aquí se guardará el diseño (operaciones) y los cálculos de la conexión. Es un archivo único, cada vez que llámenos a esta conexión desde Consteel, bien sea para consultarla o modificarla, se ejecutará este mismo archivo.
- Archivo ConLinkTemp con extensión “.ideaCon”: es un archivo que, aunque tiene la misma extensión que el archivo anterior, es un archivo “temporal”. Contiene información relativa a los perfiles y las cargas actuantes en Consteel justo en el momento de la exportación. Cada vez que se llame a la conexión desde Consteel se generará un nuevo archivo temporal.
Comprobamos que, efectivamente se han exportada las combinaciones de carga que antes hemos identificado como dominantes...
Combinación 9
Combinación 17
Combinación 22
Entramos ya en la fase de diseño de la conexión. En este caso proponemos una conexión apernada con placa frontal “end-plate”. El ensamble entre columna y dintel se realizará a pie de obra por lo que, preferiblemente, debemos optar por conexiones atornilladas.
Analizamos resultados. Tanto placas (deformación plástica), tornillos, soldaduras y pandeo cumplimos.
En este mismo archivo de proyecto Idea, podemos generar diferentes diseños para la conexión.
En este caso particular se han realizado dos diseños complementarios:
Podemos guardar nuestros diseños en la biblioteca de conexiones para usos posteriores:
Vamos a seguir la rutina anterior, ahora la aplicaremos a la placa base. Para la base de la columna son las combinaciones 9 y 22 las que nos generan los esfuerzos extremos tanto verticales (DEA), corte (DEC) y Mf (DMF). Lo vemos:
Comprobamos que al generar la conexión y tras colocarla en el modelo de Consteel, se ejecuta Idea de forma automática.
De nuevo se generan dos archivos de proyecto...
… proyecto en Idea que ya incorpora las solicitaciones que acabamos de identificar (9 y 22):
Entre las comprobaciones que debemos chequear en el diseño de nuestra placa base se encuentran las comprobaciones del arrancamiento de las cuñas de hormigón de la zapata, básicamente: - Arrancamiento del hormigón por tracción en los pernos.
- Arrancamiento del hormigón por corte en los pernos.
Por lo tanto, ya vamos dándonos cuenta que se hace imprescindible conocer “cuánto hormigón”, cuánto material resistente hay desde la posición de los pernos de anclaje hasta los bordes de la zapata. Resulta necesario, cuanto menos, tener un orden de magnitud del tamaño de las zapatas para que estas comprobaciones sobre el hormigón se efectúen de forma correcta.
Hacemos un predimensionado de la zapata desde el punto de vista geotécnico, a partir de la capacidad portante del terreno e imponiendo que la zapata “no se levante”.
Obtenemos la combinación característica de cargas que nos da los máximos esfuerzos en la base de la columna:
En el diseño de la zapata lo que debemos procurar es que no se produzca el levantamiento en uno de los extremos. Con más motivo aún en nuestro ejemplo, en el diseño de zapatas para naves donde las cargas gravitatorias no son exageradas pero sí podemos tener momentos flectores importantes debidos al viento. Esta situación favorece el levantamiento de la zapata. Para evitar esta situación lo que debemos procurar es que el ancho “b” de la zapata permita que la resultante de cargas “N” “caiga dentro del tercio central”:
De esta manera evitaremos esta situación indeseable.
Lo que hacemos es construirnos un estado de cargas equivalente, con el axil desplazado “Teorema Ehlers”. Lo vemos:
Calculamos la excentricidad “e” de las cargas, considerando el peso propio de la misma y tomando como referencia la base en contacto con el terreno. En este caso lo relativizamos todo a unas dimensiones de la zapata que aún son desconocidas:
- b: ancho a: profundidad h: peralte o canto de la zapata
Proponemos una zapata: b=3,5 m a=2,50 m y h=0,80 m.
Con esta propuesta conseguimos que el “b/6” de la zapata se ajuste a la excentricidad de las cargas “e”, entorno a un valor de e=0,57.
Considerando que el terreno tiene una capacidad admisible en servicio de 2kg/cm2 (200 kN/m2) dando una presión admisible de diseño de 0,66 kg/cm2 (66 kN/m2) (factor de seguridad de 3), podemos confirmar que obtenemos una ley de tensiones del tipo trapezoidal bajo la zapata, evitando su levantamiento:
La tensión máxima “σmáx“ que se produce está entorno a los 53 kN/m2 inferior a la presión admisible del terreno de 66 kN/m2 validando las proporciones de la zapata.
Con esto ya estamos en disposición de configurar Idea, para que pueda realizar las comprobaciones de arrancamiento del hormigón de forma correcta.
De acuerdo a las dimensiones de la zapata y al predimensionado de la placa base que estamos realizando, tenemos definidas las distancias a borde de zapata. Lo vemos mejor en un esquema:
Introducimos estas consideraciones del bloque de cimentación en la operación “Placa Base”:
Proponemos una placa base rigidizada únicamente en la dirección de incidencia del Mf, recordemos que estamos analizando un pórtico plano.
Por simplicidad del trabajo en taller, optamos por dar continuidad a los rigidizadores en todo el largo de la placa, reduciendo las operaciones de corte aunque esto suponga una cuantía de acero algo mayor a otros diseños posibles:
Realizamos varios diseños para los pernos de anclaje valorando la posibilidad de incluir 3 o 4 filas de pernos. Aprovechamos y guardamos nuestros diseños en la biblioteca de Idea:
3 pernos de anclaje son suficiente, no superamos su capacidad a tracción, corte e interacción obteniendo un aprovechamiento entorno al 96%.
Vemos como se comprueba también el hormigón bajo la placa:
Ya por último vemos como las comprobaciones de arrancamiento del hormigón en tracción y corte son satisfactorias trabajando a un 45% aproximadamente. Vemos como en la obtención de la resistencia a arrancamiento del hormigón del anclaje en tracción resulta clave, básicamente, tres dimensiones y la capacidad a compresión “f’c” del hormigón:
En nuestro ejemplo la variable dominante se corresponde con la profundidad del anclaje del hormigón “hemb” frente a la distancia al borde de la zapata “Ca,máx”. En zapatas más estrechas, o anclajes de menores longitudes esto puede invertirse.
Hasta aquí nuestro paso a paso para poder llevar a la práctica la interoperabilidad entre Consteel e Idea Statica.
En futuros artículos hablaremos sobre la interoperabilidad entre Consteel y Tekla. Nos llevaremos nuestro pórtico a Tekla y aquí extraeremos los planos necesarios. También veremos que si incorporamos las conexiones directamente en Consteel con la herramienta ConsteelJoint, podremos exportar dichas conexiones como componentes editables y nativos de Tekla.
Recordad que esta es la continuación del artículo "Interoperabilidad BIM aplicada al diseño estructural en acero (Parte I)".
Identificación de las combinaciones de carga dominantes
Recordemos que en nuestro modelo del pórtico plano en Consteel habíamos introducido las cargas de forma manual y el programa las había combinado de forma automática de acuerdo a los coeficientes de combinación de la norma. Señalar que se habían creado 33 combinaciones para comprobaciones ELU (Estados Límite Últimos) y otras 7 para ELS (Estados Límite en Servicio). Por lo tanto, lo primero que vamos a hacer es identificar en Consteel cuáles son las combinaciones de carga dominantes, es decir, para qué combinaciones se obtienen los esfuerzos máximos: Axil (N), Momento flector (Mf) y Cortante (V). Lo vamos a analizar para la conexión entre dintel y columna. Estos nos permitirá ver, más tarde, si estas combinaciones dominantes se exportan correctamente a Idea. Arrancamos viendo la distribución de momentos flectores (DMF: Diagrama Momentos Flectores):
Fijémonos como consultando por “envolventes para combinaciones ELU” se representan los dos DMF extremos:
-58,44 kNm Combinación 9
236,21 kNm Combinación 22 Las combinaciones dominantes en términos de flectores son la 22 y la 9. Se corresponden con el caso de máxima carga vertical gravitatoria y el caso en el que maximizamos el viento de succión respectivamente:
Combi 22:
1,35·(PP+CM) + 1,50·(SCuso)
Combi 9:
1 · (PP+CM) + 1,50·V1
Veamos ahora qué ocurre en relación a los esfuerzos cortantes. Consultamos por envolventes:
De nuevo las combinaciones 22 y 9 son dominantes en términos de cortante.
Añadimos también la combinación 17 a nuestra lista de combinaciones dominantes debido a los esfuerzos axiles. Es con esta combinación cuando se genera el mayor axil positivo en el nudo estudiado:
Es la combinación de cargas que mayora el viento V2 (viento longitudinal a la nave)…
… por lo que se genera succión en la cubierta y en el nudo de alero que estamos analizando aparecen tracciones.
Exportación de la conexión de ALERO a Idea Statica
Identificadas las combinaciones dominantes 9, 17 y 22, ya estamos en disposición de incorporar en Consteel una conexión que vamos a diseñar y dimensionar con Idea. Creamos un nuevo nudo:
Consteel reconoce la geometría de las barras que confluyen. Marcamos el botón de Idea.
Y posicionamos la conexión sobre el modelo de Consteel en todas aquellos nudos donde un mismo diseño de conexión podrá ser aplicado.
De forma automática se reconoce la conexión y se despliega Idea:
Tras esta exportación, fijémonos como se han generado básicamente 2 tipos de archivos:
- Archivo extensión “.ideaCon”: archivo de proyecto de la conexión en Idea. Aquí se guardará el diseño (operaciones) y los cálculos de la conexión. Es un archivo único, cada vez que llámenos a esta conexión desde Consteel, bien sea para consultarla o modificarla, se ejecutará este mismo archivo.
- Archivo ConLinkTemp con extensión “.ideaCon”: es un archivo que, aunque tiene la misma extensión que el archivo anterior, es un archivo “temporal”. Contiene información relativa a los perfiles y las cargas actuantes en Consteel justo en el momento de la exportación. Cada vez que se llame a la conexión desde Consteel se generará un nuevo archivo temporal.
Comprobamos que, efectivamente se han exportada las combinaciones de carga que antes hemos identificado como dominantes...
Combinación 9
Combinación 17
Combinación 22
Diseño de la conexión en ALERO en Idea Statica
Entramos ya en la fase de diseño de la conexión. En este caso proponemos una conexión apernada con placa frontal “end-plate”. El ensamble entre columna y dintel se realizará a pie de obra por lo que, preferiblemente, debemos optar por conexiones atornilladas.
1er Diseño:
Optamos por una distribución de pernos lo más simétrica posible entre el perfil principal (dintel) y la cartela, con 6 filas de tornillos y sin rigidizadores en el alma de la columna. Con una operación de “placa de testa” y otra de “cartela” tenemos configurada la conexión.
Analizamos resultados. Tanto placas (deformación plástica), tornillos, soldaduras y pandeo cumplimos.
En este mismo archivo de proyecto Idea, podemos generar diferentes diseños para la conexión.
En este caso particular se han realizado dos diseños complementarios:
- 2º diseño: Eliminamos una fila de tornillos (quedan 5 filas) y adelgazamos la placa frontal.
- 3er diseño: Mantenemos 5 filas de tornillos. Añadimos rigidizadores en el alma de la columna ya que el modo de pandeo dominante se da en este elemento (a pesar de obtenerse un valor de alfa crítica muy holgado).
Diseño de la conexión PLACA BASE en Idea Statica
Vamos a seguir la rutina anterior, ahora la aplicaremos a la placa base. Para la base de la columna son las combinaciones 9 y 22 las que nos generan los esfuerzos extremos tanto verticales (DEA), corte (DEC) y Mf (DMF). Lo vemos:
Comprobamos que al generar la conexión y tras colocarla en el modelo de Consteel, se ejecuta Idea de forma automática.
De nuevo se generan dos archivos de proyecto...
… proyecto en Idea que ya incorpora las solicitaciones que acabamos de identificar (9 y 22):
Predimensionado zapata “Comprobaciones arrancamiento cuñas de hormigón”
Entre las comprobaciones que debemos chequear en el diseño de nuestra placa base se encuentran las comprobaciones del arrancamiento de las cuñas de hormigón de la zapata, básicamente: - Arrancamiento del hormigón por tracción en los pernos.
- Arrancamiento del hormigón por corte en los pernos.
Por lo tanto, ya vamos dándonos cuenta que se hace imprescindible conocer “cuánto hormigón”, cuánto material resistente hay desde la posición de los pernos de anclaje hasta los bordes de la zapata. Resulta necesario, cuanto menos, tener un orden de magnitud del tamaño de las zapatas para que estas comprobaciones sobre el hormigón se efectúen de forma correcta.
Hacemos un predimensionado de la zapata desde el punto de vista geotécnico, a partir de la capacidad portante del terreno e imponiendo que la zapata “no se levante”.
Obtenemos la combinación característica de cargas que nos da los máximos esfuerzos en la base de la columna:
En el diseño de la zapata lo que debemos procurar es que no se produzca el levantamiento en uno de los extremos. Con más motivo aún en nuestro ejemplo, en el diseño de zapatas para naves donde las cargas gravitatorias no son exageradas pero sí podemos tener momentos flectores importantes debidos al viento. Esta situación favorece el levantamiento de la zapata. Para evitar esta situación lo que debemos procurar es que el ancho “b” de la zapata permita que la resultante de cargas “N” “caiga dentro del tercio central”:
De esta manera evitaremos esta situación indeseable.
Lo que hacemos es construirnos un estado de cargas equivalente, con el axil desplazado “Teorema Ehlers”. Lo vemos:
Calculamos la excentricidad “e” de las cargas, considerando el peso propio de la misma y tomando como referencia la base en contacto con el terreno. En este caso lo relativizamos todo a unas dimensiones de la zapata que aún son desconocidas:
- b: ancho a: profundidad h: peralte o canto de la zapata
Proponemos una zapata: b=3,5 m a=2,50 m y h=0,80 m.
Con esta propuesta conseguimos que el “b/6” de la zapata se ajuste a la excentricidad de las cargas “e”, entorno a un valor de e=0,57.
Considerando que el terreno tiene una capacidad admisible en servicio de 2kg/cm2 (200 kN/m2) dando una presión admisible de diseño de 0,66 kg/cm2 (66 kN/m2) (factor de seguridad de 3), podemos confirmar que obtenemos una ley de tensiones del tipo trapezoidal bajo la zapata, evitando su levantamiento:
La tensión máxima “σmáx“ que se produce está entorno a los 53 kN/m2 inferior a la presión admisible del terreno de 66 kN/m2 validando las proporciones de la zapata.
Con esto ya estamos en disposición de configurar Idea, para que pueda realizar las comprobaciones de arrancamiento del hormigón de forma correcta.
Diseño y resultados Placa Base en Idea Statica
De acuerdo a las dimensiones de la zapata y al predimensionado de la placa base que estamos realizando, tenemos definidas las distancias a borde de zapata. Lo vemos mejor en un esquema:
Introducimos estas consideraciones del bloque de cimentación en la operación “Placa Base”:
Proponemos una placa base rigidizada únicamente en la dirección de incidencia del Mf, recordemos que estamos analizando un pórtico plano.
Por simplicidad del trabajo en taller, optamos por dar continuidad a los rigidizadores en todo el largo de la placa, reduciendo las operaciones de corte aunque esto suponga una cuantía de acero algo mayor a otros diseños posibles:
Realizamos varios diseños para los pernos de anclaje valorando la posibilidad de incluir 3 o 4 filas de pernos. Aprovechamos y guardamos nuestros diseños en la biblioteca de Idea:
3 pernos de anclaje son suficiente, no superamos su capacidad a tracción, corte e interacción obteniendo un aprovechamiento entorno al 96%.
Vemos como se comprueba también el hormigón bajo la placa:
Ya por último vemos como las comprobaciones de arrancamiento del hormigón en tracción y corte son satisfactorias trabajando a un 45% aproximadamente. Vemos como en la obtención de la resistencia a arrancamiento del hormigón del anclaje en tracción resulta clave, básicamente, tres dimensiones y la capacidad a compresión “f’c” del hormigón:
En nuestro ejemplo la variable dominante se corresponde con la profundidad del anclaje del hormigón “hemb” frente a la distancia al borde de la zapata “Ca,máx”. En zapatas más estrechas, o anclajes de menores longitudes esto puede invertirse.
Hasta aquí nuestro paso a paso para poder llevar a la práctica la interoperabilidad entre Consteel e Idea Statica.
En futuros artículos hablaremos sobre la interoperabilidad entre Consteel y Tekla. Nos llevaremos nuestro pórtico a Tekla y aquí extraeremos los planos necesarios. También veremos que si incorporamos las conexiones directamente en Consteel con la herramienta ConsteelJoint, podremos exportar dichas conexiones como componentes editables y nativos de Tekla.
