Análisis estructural : Métodos de cálculo en ingeniería sísmica

En el primer capítulo se analizan las generalidades relativas al sismo. Tras algunas consideraciones sobre los fenómenos que aparecen durante un terremoto se describen algunos ejemplos históricos que han sido determinantes en el desarrollo del conocimiento y, finalmente, se plantean algunos problemas típicos de la ingeniería sísmica. En el siguiente capítulo se resumen algunos conceptos utilizados en la descripción física de la acción. Se trata de una presentación muy somera de temas en continua evolución. Se comienza con unas indicaciones sobre tectónica global que permiten hacerse una idea del origen de los terremotos en un marco general. A continuación se recuerdan algunos conceptos imprescindibles sobre propagación de ondas en medios elásticos, lo que permite comentar la composición de los acelerogramas, la estructura interna de la tierra y la localización de terremotos. Finalmente se incluyen las definiciones fenomenológicas e instrumentales utilizadas para describir el sismo, así como algunas correlaciones habituales entre ellas. En el capítulo posterior se desarrollan los criterios que permiten fijar la importancia de la acción sísmica en un emplazamiento determinado. Aunque aquéllos son semejantes para una cuantificación global y local se va a poner especial énfasis en la explicación de los métodos que han llevado al establecimiento del mapa sísmico español. En general cabe decir que el proyectista necesita evaluar los riesgos de diferentes niveles de daño con objeto de comparar soluciones alternativas. Para ello se precisa ser capaz de cuantificar y localizar la importancia de los sismos, el daño que producen en las estructuras así como cuantificar el coste generalizado (coste inicial+ beneficios+ coste de reparación) de la construcción. Tradicionalmente se ha empleado un enfoque determinista en que la solicitación sísmica se tomaba semejante a la máxima registrada históricamente. Tan solo en épocas recientes se ha impuesto una filosofía probabilista basada fundamentalmente en ideas expuestas por Cornell y Esteva en los años sesenta. En ambos casos se recurre a un estudio detallado de la estructura geotectónica de la región, en especial sus fallas activas, así como a la historia sísmica con localización de epicentros y asignación de intensidades que en nuestro país se puede basar en los catálogos existentes. En el caso determinista se postula que el máximo sismo histórico de cada falla se produce en la zona más próxima al emplazamiento, y utilizando fórmulas de atenuación se obtiene la característica de interés en aquel. En el último capítulo se van a describir métodos que, además de su aplicabilidad a sismos concretos han permitido la identificación de propiedades globales y, por tanto, la definición de la acción en función de un número limitado de parámetros. Aunque en un principio la descripción temporal fue la más usada, se ha observado que el contenido en frecuencias tiene una importancia capital y por ello se presentan sucesivamente ambos enfoques. Se dedica un apartado especial al concepto de espectro de respuesta elástica ya que está en la base de la mayoría de las recomendaciones de la normativa y recoge en forma muy sencilla una impresionante cantidad de información. Finalmente, se realizan breves indicaciones sobre los procedimientos utilizados para generar acelerogramas sintéticos que gocen de algunas de las propiedades globales puestas de manifiesto por las representaciones anteriores. Conviene remarcar que la importancia de los conceptos de densidad espectral o espectro de respuesta, radican no sólo en su capacidad para representar propiedades de un sismo dado sino, a través de su correspondiente normalización y promediación. En el último capítulo se incluyen algunas observaciones de interés sobre las modificaciones que las condiciones locales del suelo introducen en el movimiento sísmico.

Análisis dinámico experimental de edificios esbeltos

Es conocido que la variación del comportamiento dinámico de las estructuras puede ser empleado dentro de un sistema de monitorización de su integridad estructural. Así, este estudio tiene como objetivo comprender el comportamiento dinámico de edificios esbeltos, frente a diferentes agentes ambientales como la temperatura y/o dirección y velocidad del viento. En el marco de esta investigación, se estudian dos edificios: la Torre de la ETSI (Escuela Técnica Superior de Ingenieros) de Caminos, Canales y Puertos de la UPM (Universidad Politécnica de Madrid) y un edificio de viviendas situado en la calle de Arturo Soria de Madrid. Los datos medioambientales antes mencionados, se registraron con sendas estacionales meteorológicas situadas en las azoteas de ambos edificios. Se realiza el análisis modal operacional de ambas estructuras. Este análisis se realiza a partir de las mediciones de las aceleraciones ante excitaciones ambientales, es un análisis basado sólo en la respuesta de la estructura. Por tanto, no es necesario interrumpir el funcionamiento en servicio de la instalación, obteniendo su comportamientos en este estado. A partir de este análisis, se obtienen las frecuencias naturales, los amortiguamientos modales y las formas modales. Así, en este trabajo se ha estudiado la relación existente entre la variación en la estimación de las frecuencias naturales y la variación de los agentes ambientales (fundamentalmente la temperatura). Los ensayos dinámicos en los dos edificios mencionados anteriormente, se han realizado utilizando acelerómetros de alta sensibilidad sincronizados inalámbricamente, lo cual ha simplificado el trabajo experimental si lo comparamos con los sistemas tradicionales. Como resultado del trabajo realizado se pueden destacar los siguientes puntos: (i) se ha visto que con el equipamiento disponible se pueden realizar análisis dinámicos de edificios, (ii) se ha mejorado el conocimiento dinámico de estas estructuras, y (iii) se ha visto la importancia que pueden tener los agentes ambientales dependiendo por un lado del tipo estructura del edificio. A partir del trabajo, se podrían actualizar modelos matemáticos que sirvan para la predicción de daños en las estructuras, y por otro, se podrán eliminar los efectos de los agentes ambientales, lo cual es un punto vital si se quiere emplear los parámetros modales para el cálculo de indices de daño. La aplicación de este tipo de investigación ayudará a tener una información mayor sobre el comportamiento de las estructuras y así, en el futuro, poder realizar distintos tipos de procesos, como la formulación de modelos matemáticos que reflejen con mayor fidelidad el comportamiento real. De esta forma, la monitorización de los agentes medioambientales permitirán valorar la influencia de estas variaciones sobre la estructura pudiéndose eliminar estos efectos. Con ello, se mejora la incertidumbre en la variación de frecuencias que puede ser utilizada como un sistema de activación de alarmas frente a la detección de daños estructurales. It is known that the variation of the dynamic behavior of structures can be used within a system to monitor structural integrity. So, this study aims to understand the dynamic behavior of slender buildings, against different environmental agents such as temperature and / or wind direction and velocity. As part of this investigation, two buildings are studied: the ETSI's (Escuela Técnica Superior de Ingenieros) main tower of Escuela de Caminos, Canales y Puertos of UPM (Universidad Politécnica de Madrid) and a residential building located in the streets Arturo Soria Madrid. The environmental data were recorded with weather stations located on the roof of both buildings. In both structures a modal operational analysis has been carried out. This analysis is performed from the measurements of the acceleration to the environmental excitation, this analysis is based only on the response of the structure. Therefore, it is not necessary to interrupt the operation of the structure, getting its behavior in this state. From this analysis, the natural frequencies, modal damping and mode shapes are obtained. So, in this work we have studied the existing relationship between the variation in the estimate of the natural frequencies and the variation of environmental agents (mainly temperature). The dynamic tests in the two buildings mentioned above, have been made using high-sensitivity accelerometers wirelessly synchronized, which has simplified the experimental work when compared to traditional systems. As a result of work performed can highlight the following points: (i) it has been found that with the available equipment can perform dynamic analysis of buildings, (ii) has improved dynamic knowledge of these structures, and, (iii) can be seen the potential importance of environmental agents depending on the type of building structure. From the work, mathematical models can be updated that serve to prediction of damage to structures, and on the other side, may eliminate the effects of environmental agents, which is a vital point if you want to use the modal parameters for calculating damage ratings. The application of this type of research will help to have more information about the behavior of structures and so, in the future, conduct various processes, as the formulation of mathematical models that reflect more accurately an actual behavior. In this way the monitoring of environmental agents will allow evaluate the influence of these variations on the structure being possible eliminate these effects. Thereby, improvement the uncertainty in the frequencies variation that can be used as an alarm activation system from detection of structural damage.

Cálculo elastoplástico de láminas plegadas no prismáticas de sección arbitraria

Se presenta una técnica de cálculo plástico incremental específica para el modelo estructural lámina plegada, cuya eficiencia se intenta cuantificar en comparación con otros procedimientos de cálculo plástico de estructuras. El complejo problema tridimensional que aparece implícito en este tipo de estructuras se ha reducido a dos análisis monodimensionales más sencillos -1ongitudinal y transversal a los que se han aplicado procedimientos típicos de cálculo plástico de estructuras de barras. Se ha estudiado el modelo en una serie de ejemplos prácticos que han corroborado la validez del mismo, al tiempo que han mostrado las extraordinarias posibilidades de aplicación a situaciones reales de gran interés en la ingeniería.

Evolución de los métodos de cálculo de láminas plegadas. Una aportación al análisis de estructuras no prismáticas

Se describen someramente las más importantes técnicas de cálculo de estructuras láminas plegadas, y se realiza una comparación entre los métodos analíticos, en particular los procedimientos armónicos y los numéricos. Entre estos últimos, que hacen posible el tratamiento de situaciones reales que se encuentran en la práctica profesional, se expone uno original que permite englobar dentro de un mismo análisis matricial y, por tanto, dentro de un mismo programa de computador, estructuras muy diversas: no prismáticas, con sección transversal múltiple, con apoyos intermedios y con diversos tipos de continuidad transversal. En los ejemplos estudiados se comprueba la bondad de los resultados obtenidos y la excelente eficiencia computacional, en comparación con otros métodos numéricos más universales, que se muestran inadecuados para estos tipos particulares de estructuras.

Fórmulas explícitas para el cálculo sísmico de entramados planos regulares

Se obtienen las soluciones explícitas de las ecuaciones dinámicas del movimiento de estructuras de edificación con características regulares. Se estudian los dos casos extremos correspondientes a la viga de corte y a la flexión total en los soportes. Asímismo, se analiza el caso general intermedio representado por una relación arbitraria entre las rigideces de los dinteles y los soportes. Se presentan algunos ejemplos de aplicación de las fórmulas obtenidas.

Un método de cálculo sísmico aproximado de estructuras planas de edificación

Se presentan las expresiones explícitas de las frecuencias y modos de vibración de un edificio homogéneo y regular. A efectos prácticos se propone una fórmula de interpolación de las frecuencias para casos intermedios entre las situaciones de viga de cortante y viga de flexión. Los resultados obtenidos permiten su extensión al análisis de estructuras, entramados planos irregulares y heterogéneos, mediante la utilización de la técnica de Ritz. Se presentan algunos ejemplos de la eficiencia y aproximación del método.

Notas al cálculo de esfuerzos en tableros de puentes

El crecimiento de nuestra red viaria y el proyecto de nuevas autopistas ha incrementado extraordinariamente el número de obras de fábrica a construir. Es evidente, entonces,la importancia económica de estudios más detallados que intenten optimizar estas estructuras. En contrapartida, la complejidad de las estructuras exigidas por las necesidades de las modernas intersecciones es creciente. Complicaciones geométricas y estructurales, tales como planta curva, espesor variable, apoyos arbitrariamente dispuestos, aislados y continuos, etc., son encontradas frecuentemente en los proyectos actuales. De aquí la necesidad perentoria de utilizar métodos de cálculo distintos de los convencionales. La aparición de los ordenadores electrónicos, descargando al proyectista de la parte más rutinaria de su trabajo -el cálculo- ha exigido a los nuevos procedimientos de análisis de estructuras una mayor fidelidad en su representación de la realidad y la posibilidad de un tratamiento único a muy distintas estructuras.

Análisis mediante cálculo numérico (CFD) del comportamiento de anemómetros de cazoletas = CFD analysis of cup anemometers performance

El presente trabajo consiste en la simulación del flujo aerodinámico alrededor de cazoletas de anemómetros. Para ello se ha utilizado un código numérico o software comercial de análisis numérico de fluidos o CFD (Computational Fluid Dynamics). Este trabajo es un aporte más en la línea de investigación acerca del comportamiento de los anemómetros de cazoletas, que viene llevándose a cabo en el Instituto Universitario de Microgravedad “Ignacio Da Riva” (IDR/UPM). La primera parte de este proyecto consistió en la realización de simulaciones de tipo estacionarias (esto es, con la cazoleta bajo un cierto ángulo de incidencia con respecto al viento pero sin movimiento de rotación). De esta forma se analiza de forma independiente y asilada la cazoleta en cada una de las diferentes posiciones a lo largo de un giro de 360 grados. Así pues, a varios modelos de cazoleta se les fue variando su posición en incrementos de 10 grados desde de la posición angular inicial q = 0º hasta q = 180º, ya que las cazoletas presentan un comportamiento simétrico. La segunda parte de este proyecto se destinó a la realización de otra serie de simulaciones de tipo no estacionarias. Este tipo de simulaciones se realizaron concretamente a sólo un modelo de cazoleta (cónica no porosa). Estas últimas simulaciones, en concreto nueve, se realizaron variando la velocidad angular de la cazoleta respecto a la velocidad del viento.

Cálculo convencional de estructuras, teoría: estructuras articuladas

El objetivo de esta publicación es desarrollar la fase segunda dentro del proceso de un cálculo estructural, que se designa con el nombre de cálculo de estructuras. Si bien existen muchos e importantes problemas que pueden ser incluidos dentro de este ámbito, aquí únicamente serán tratados aquellos que son específicos del análisis, es decir, los correspondientes al estudio de las relaciones entre las excitaciones estructurales (acciones) y las respuestas (resultados). Por lo tanto, se dejan de lado todos los problemas fundamentales de síntesis o proyecto de sistemas estructurales incluidos dentro del término diseño óptimo de estructuras, así como los relativos a la cada vez más importante rama del cálculo de estructuras denominada Teoría de la Identificación.

Un programa de generación autómatica de datos para cálculo de emparrillados planos (GEDE)

En numerosas ocasiones, la preparación de la entrada de datos de los programas existentes hoy en día, para cálculo de estructuras por computador (STRESS, STRUDL, NASTRAN etc.), resulta un problema costoso por el elevado número de horas/hombre que requiere y el incremento de la probabilidad de aparición de errores en los datos de entrada. El objetivo del presente programa GEDE (Generación de la Entrada de Datos de Emparrillado) consiste en obtener automáticamente los datos de entrada para un programa general de cálculo de emparrillado plano, a partir de un reducido número de datos básicos. Indudablemente, la parte de este programa consistente en la discretización de una estructura real en otra formada por nudos y barras, puede ser utilizada por otros tipos de cálculos estructurales diferentes del emparrillado. El presente programa GEDE, se ha implementado para su utilización en conjunción con un programa particular de cálculo EMPR1 (desarrollado por los autores), si bien su adaptación a otro tipo de programas de emparrillado es inmediata. El generar automáticamente gran parte de los datos supone una pérdida de generalidad, que puede implicar a veces, una limitación en cuanto a la tipología de los emparrillados a tratar. Estas limitaciones se discuten en detalle en la obra

Cálculo de estructuras espacialmente periódicas. Aplicación a tableros de puente

Se muestra un procedimiento de cálculo de estructuras constituidas por una más simple, que se repite bien mediante una rotación finita (estructuras cíclicas) o según una traslación (estructuras traslacionales). Es posible, según el método que se expone, obtener el comportamiento de la estructura bajo la acción de cargas arbitrarias, mediante el cálculo repetido de la estructura elemental modificada. De esta forma, estructuras con un número elevado de grados de libertad pueden ser analizadas con un esfuerzo computacional relativamente pequeño, el preciso para el estudio de una estructura de dimensión igual a la de la estructura elemental. Se muestran algunos ejemplos ilustrativos muy simples, así como una aplicación al caso práctico correspondiente a losas de tableros de puentes rectos de vigas.

Cálculo matricial de estructuras

Este libro sirve de texto para estudiantes de las Escuelas Técnicas, pero es de utilidad inmediata también para el profesional que busca comprender las raíces de los métodos de cálculo actuales y/o disponer de una herramienta que le permita resolver problemas inabordables con los métodos no computerizados (descripción de la editorial). Estas notas están dirigidas a personas que comiencen su aprendizaje en los métodos modernos de cálculo de estructuras. Se ha procurado mantener un tono elemental y sólo en muy contadas ocasiones se han avanzado temas que pueden requerir un tiempo de reflexión superior al que dedica a sus asignaturas un estudiante medio. En general, se ha pretendido desarrollar ideas, más que técnicas de computación, para que el lector se convenza de la potencia del modelo de razonamiento utilizado por los métodos proyectivos, cuya generalidad permite su aplicación a áreas muy distintas de la ciencia y de la técnica. No obstante, siguiendo la filosofía de la colección en la que se publica la obra, se ha dedicado también una parte sustancial del texto a la descripción de ciertos manejos informáticos y de un sencillo programa de ordenador que ha sido documentado cuidadosamente para que el principiante no encuentre inconveniente en desentrañar el procedimiento. Se espera con ello romper el sentimiento de misterio, mezcla de prevención y asombro, con que se ha intentado en ocasiones rodear un método de cálculo cuyas bases son absolutamente clásicas y cuya metodología entronca con la mejor tradición mecánica (extracto del prólogo).

Un método de cálculo dinámico de tableros de puentes

En la actualidad el estudio del comportamiento de los tableros de puentes bajo ciertas acciones de carácter dinámico puede constituir un importante factor a considerar en el curso del proyecto. Ello se debe al progresivo incremento de la esbeltez de los tableros de puentes Y ello es debido a un progresivo incremento de la esbeltez de debido a causas múltiples, entre las que pueden citarse las de índole económica y las resultantes de un mejor conocimiento de la fenomenología estructural. Las acciones que son susceptibles de provocar una respuesta dinámica en un puente,son de origen vario: eólicas, sísmicas, impacto, circulación, etc. El carácter errático en su actuación,constituye una característica común a la mayoría de las excitaciones dinámicas y dificulta extraordinariamente una definición determinista adecuada de las mismas. Hasta la fecha se ha utilizado el métódo normal de análisis dinámico que corresponde al denominado cálculo quasi-estático.Es decir, la respuesta dinámica de una estructura se evalúa como el resultado obtenido de un cálculo estático (sin consideración de las fuerzas de inercia) multiplicado por un coeficiente de mayoración dinámica. De esta forma, se evita el cálculo dinámico de la estructura ,en general más complejo, pero exige el conocimiento de los coeficientes de mayoración dinámica. Por ello, se observa la necesidad de un cálculo dinámico completo en aquellos casos en los que la imprecisión del análisis quasi-estático es excesiva y se desea, por lo tanto, bien determinar el coeficiente de mayoración o bien el cálculo dinámico directo de la estructura.

Cálculo sísmico no lineal de edificios de hormigón armado. Comparación con la norma PDS-1

El cálculo moderno de edificios frente a acciones sísmicas contempla la posibilidad de comportamiento no lineal de los mismos, en orden a conseguir seguridad y economía en su diseño. La característica del hormigón armado de producir deformaciones plásticas sin llegar a rotura, supone un mecanismo suficientemente aceptable y seguro para absorber la energía generada durante el seísmo. En este artículo se presenta un método de cálculo no lineal de edificios, en el que se permite el desarrollo de rótulas plásticas en los nudos de unión de las vigas a los soportes. El comportamiento de los soportes se considera lineal. La acción sísmica es un conjunto de acelerogramas generados artificialmente en base a un proceso aleatorio tipo ruido de disparo filtrado, según el método de PENZIEN-RUIZ. Los resultados del cálculo se comparan con los obtenidos en un cálculo pseudo-estático aplicando la Norma POS-l.

Cálculo convencional de estructuras. Problemas

Esta obra recopila un conjunto de problemas de cálculo clásico de estructuras, con el objetivo de ayudar al alumno que se inicia en el Cálculo de Estructuras a conocer y comprender el fenómeno estructural, mediante técnicas sencillas, que no exigen recursos informáticos importantes. De esta forma estará en condiciones no solo de asimilar posteriormente las posibilidades del cálculo matricial de estructuras, sino también, de comprobar a veces los resultados que muchos creen mágicos e infalibles del computador. El origen de estos problemas que se presentan es muy vario, algunos se remontan a mis años lejanos de estudiante, otros al libro clásico de ”Teoría de las Estructuras” de Timoshenko junto con otros que son cosecha de los autores y que se han propuesto en los distintos examenes de la Escuela.