Cuando modelas una cercha en ETABS el programa no entiende que se trata de una cercha, el tomará los elementos horizontales de esta como vigas (beams), los diagonales como arriostramientos (brace) y los verticales como columnas (columns).
Esta diferenciación entre tipos de elementos (vigas, columnas y arriostramientos) la hace el programa para decidir qué criterios sismorresistentes aplican para cada elemento según el sistema estructural y normativa seleccionada.
Antes de incluir la cercha en el modelo matemático de la edificación que estás evaluando yo me haría la siguiente pregunta: ¿La rigidez de esta cercha afecta significativamente el comportamiento estructural de la edificación?. Por lo general este tipo de cerchas van simplemente apoyadas y únicamente transfieran cargas gravitacionales o de viento (cuando son de techo).
Cómo interpreta ETABS los elementos de una cercha
En ETABS, los elementos que forman una cercha no se reconocen automáticamente como un sistema estructural independiente. El programa clasifica cada barra según su orientación y según el tipo de elemento asignado en el modelo.
| Elemento de la cercha | Interpretación habitual en ETABS |
|---|---|
| Elementos horizontales | Vigas (beams) |
| Elementos diagonales | Arriostramientos (brace) |
| Elementos verticales | Columnas (columns) |
Esta diferenciación es importante únicamente cuando hacemos un diseño sismorresistente.
Por ejemplo, si estás diseñando con la norma AISC 360-05 en ETABS e indicas en "framing type" que el sistema estructural es SCBF, el programa automáticamente verificará que todos los elementos inclinados (lo que el entenderá por arriostramiento) sean sismicamente compactos y cumplan con la relación de esbeltez máxima según la norma AISC 341-05.
Y así hará con las columnas y con las vigas.
Configuración sísmica para el diseño de la cercha
Ya que ninguno de estos requisitos aplican para la cercha que deseas evaluar, simplemente debes ir al menú donde configuras el código de diseño y seleccionar:
- Ignore Seismic Code -----> Yes
- Ignore Special Seismic Loads -----> Yes
Si no deseas afectar a toda la estructura con esta configuración (por ejemplo la cercha forma parte de una estructura de acero para la que si aplican los requisitos sismorresistentes), una opción es seleccionar los elementos deseados e ir al menú Design >> Steel Frame Design >> View/Revise Overwrittes >> Framing Type ----> OMF.
Si bien la cercha tampoco es un OMF, este sismtema estructural tiene muy pocos requisitos sismorresistentes que no afectarán el diseño de los elementos de la cercha.
Opciones para modelar una cercha de acero
Con relación a como modelar la cercha:Se me ocurren algunas opciones:
Usar una sección tipo steel joist
Usar una de las secciones tipo "steel joist" que tiene el programa, si existe alguna que se ajuste.
Modelar cada barra con elementos Frame
Modelar cada elemento de la cercha con elementos Frame, incluyendo los elmentos del alma (cabillas).
Estos los puedes modelar con una sección circular maciza, no necesitas el Section Designer para ello.
Si te vas por esta opción debes tener en cuenta que no debes asignar un diafragma rígido en los nodos del cordon superior de la cercha.
Modelar la cercha mediante propiedades equivalentes
Modelar la cercha con un elemento frame de propiedades equivamentes.
Esta alternativa permite representar la rigidez global de la cercha mediante un elemento equivalente, pero debe utilizarse únicamente cuando las propiedades equivalentes representen adecuadamente el comportamiento estructural que se desea incluir en el modelo.
Elección del nivel de idealización
Antes de incluir la cercha en el modelo matemático de la edificación que estás evaluando yo me haría la siguiente pregunta: ¿La rigidez de esta cercha afecta significativamente el comportamiento estructural de la edificación?.
Por lo general este tipo de cerchas van simplemente apoyadas y únicamente transfieran cargas gravitacionales o de viento (cuando son de techo).
Cuando la cercha solo transmite cargas gravitacionales o de viento, puede ser suficiente evaluar cuidadosamente sus barras y apoyos sin convertirla necesariamente en un componente dominante del sistema resistente global.
Relación entre ETABS, AISC 360 y AISC 341
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Diseño de barras y arriostramiento lateral
El programa te indica que la viga no cumple con los requisitos de arriostramiento lateral para miembros de alta ductilidad estipulados en la sección D1.2b del código AISC 341-10.
La norma indica que los arriostramientos de miembros de alta ductilidad (por ejemplo en vigas de pórticos especiales de momento SMF) deben estar separados a una distancia no mayor que lb=0.086ryE/Fy.
En cualquier caso, el arriostramiento debe ser adecuado para garantizar la estabilidad de la viga y prevenir el giro (twist) de la sección.
Esto se garantiza aplicando los requisitos del apéndice 6 del AISC 360-10, junto con la sección D1.2 de AISC 341-10 (en caso de que apliquen).
Por defecto, el programa asume que todos los miembros de la estructura pertenecen a pórticos tipo SMF.
Si no es el caso, puedes seleccionar cualquier elemento y cambiar el tipo de pórtico en Design >> view revise overwrites >> y seleccionar el tipo de pórtico que aplique en FRAME TYPE.
Agregar vigas auxiliares
Agregar vigas auxiliares para arriostrar lateralmente la viga en cuestión, con una separación no mayor que lb=0.086ryE/Fy.
En este caso el programa debería reconocer automáticamente que estas vigas secundarias están arriostrando la viga principal.
Especificar los puntos de arriostramiento
Si la viga en cuestión estará arriostrada lateralmente en ambas alas o la sección de la viga estará arriostrada torsionalmente, pero no deseas modelar estos elementos de arriostramiento, puedes indicarle al programa que la viga posee dicho arriostramiento.
Para ello debes seleccionar la viga e ir al menú Design >> Steel frame design >> Lateral Bracing, y seleccionar la opción "User Specified >> Specify Point bracing".
En este menú debes especificar los puntos de la viga que estarán arriostrados.
Seleccionar una sección con mayor radio de giro
Si no existe manera de arriostrar lateralmente la viga, entonces debes cambiar la viga por una que tenga un radio de giro "ry" que sea lo suficientemente grande para cumplir con: lb/ry<0.086E/Fy.
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Informes detallados
Diseño de conexiones y placas base
El diseño de placas base según AISC 360 [1] y ACI 318 [2] ya está disponible en el complemento de Conexiones de Acero.
En la pestaña Principal, asigne la nueva unión de acero al nodo correspondiente.
Revise la "Configuración de resistencia" para confirmar que los ajustes predeterminados son apropiados y realice las modificaciones necesarias (Imagen 01).
También se ofrece la opción de considerar hormigón fisurado.
De forma predeterminada, ACI asume que existe fisuración.
La opción "Armadura para controlar la fisuración", de acuerdo con la Sección 17.3.5 del ACI, puede activarse cuando se dispone de armadura adicional para controlar el fallo por fisuración causado por las fuerzas de instalación y/o el apriete posterior.
Cuando esta opción está desactivada, el programa muestra la siguiente nota:“No se proporciona armadura para controlar la fisuración. Compruebe la separación mínima, las distancias a borde y el espesor mínimo del hormigón.”
También están disponibles la transferencia de cortante a través de anclajes, llaves de cortante y fricción.
Hay disponibles cuatro tipos de anclajes: 1 postinstalado y 3 embebidos (cabeza hexagonal, perno en L con gancho y perno en J con gancho).
Según la Sección 4.3.2.2 de AISC Design Guide 1 [3], “Para barras de anclaje de mayor resistencia o hormigón con una resistencia a compresión menor, pueden ser necesarias placas de arandela para obtener la resistencia completa de los anclajes.
El tamaño de las arandelas debe minimizarse manteniendo la resistencia requerida.”
Está disponible la opción de incluir una arandela.
Los parámetros necesarios son la forma de la arandela (circular o cuadrada), el diámetro/ancho y el espesor.
El diámetro/ancho se utiliza para calcular el área neta de apoyo del anclaje, Abrg, para determinar la resistencia al arrancamiento del anclaje.
El espesor de la arandela no influye en las ecuaciones de dimensionamiento ni en el modelo de EF y se utiliza solo para la representación gráfica.
Las fuerzas en las barras de anclaje se basan en el análisis por elementos finitos (AEF), que tiene en cuenta las rigideces de los elementos de conexión (barras de anclaje, placas base, bloque de hormigón, etc.).
Puede producirse acción de palanca cuando la flexibilidad de la placa base provoca una deformación que aumenta la tracción en las barras de anclaje.
Ejemplo de placa base según AISC Design Guide 1
Se presenta el ejemplo 4.7-11 de AISC Design Guide 1 para verificar los resultados del modelo RFEM.
En este ejemplo se diseña una conexión de placa base para una columna W12x96 sometida a compresión y momento.
La columna está unida a una cimentación de hormigón con una resistencia a compresión especificada, ƒ'c = 4,000 psi.
La placa base tiene un espesor de 2.0 in con un espesor de lechada supuesto de 1.0 in.
La longitud efectiva de empotramiento, hef, es igual a 18.0 in.
Las cargas y propiedades de material se muestran en la Imagen 05.
En el ejemplo, no se dan las dimensiones reales del hormigón y se supone que existe un área suficiente para que se formen los conos de rotura por tracción de las barras de anclaje respecto a la distancia al borde.
Para cumplir esta hipótesis, se utilizan dimensiones del bloque de hormigón iguales a 1.5hef + separación de barras +1.5hef (66.0 in x 72.5 in).
Verificación de resultados
La entrada completa para la unión de acero se muestra arriba en la Imagen 03.
Después de ejecutar el cálculo de la unión de acero, el resultado de cada componente se presenta en la pestaña Relaciones de dimensionamiento por componente.
Los detalles de la verificación de dimensionamiento proporcionan todas las fórmulas y referencias a las normas AISC 360 y ACI 318 (Imagen 07).
También se incluye una nota sobre las verificaciones de dimensionamiento excluidas para aclaración.
A continuación, seleccione "Resultados en unión de acero" para ver gráficamente las fuerzas internas de los anclajes (Imagen 08).
La tensión de apoyo de 2.21 ksi se toma del Ejemplo 4.7-10 con la hipótesis A1 = A2, proporcionando la menor resistencia posible.
En el complemento Steel Joints, se supone A2 ≫ A1 para satisfacer la resistencia a tracción por rotura.
Flexibilidad de la placa base
El área efectiva de compresión de la placa base, Aeff, puede determinarse mediante un análisis FEM o mediante AISC Design Guide 1, Apéndice B.3, donde Aeff se extiende una distancia c = 1.5*espesor de la placa base fuera de las almas y alas.
El valor indicado ϕPp = 1,242.3 kips se basa en Aeff calculada según Design Guide 1.
El dimensionamiento del espesor de la placa base está gobernado por la interfaz de apoyo o de tracción.
En el complemento Steel Joints, el dimensionamiento de la placa se realiza mediante análisis plástico comparando la deformación plástica real con el límite admisible del 5% especificado en la Configuración de resistencia.
La placa base de 2.0 in de espesor presenta una deformación plástica equivalente máxima del 0.09%, lo que indica que podría ser suficiente una placa más delgada.
El Apéndice B.3 de AISC Design Guide 1 [3] explica cómo tener en cuenta la flexibilidad de la placa base puede reducir significativamente el espesor requerido.
El estado límite de fluencia de la placa corresponde al doblado hacia arriba de la placa base en las ubicaciones supuestas de las líneas de fluencia bajo la presión de apoyo ascendente.
Esta presión, a su vez, se supone constante, lo que implica implícitamente que la placa base es rígida.
Sin embargo, para placas base de mayor tamaño con una gran superficie, esta hipótesis puede dar lugar a momentos excesivamente grandes en las líneas de fluencia, resultando en placas base demasiado gruesas.
Esta es una hipótesis conservadora porque una placa base grande también es flexible, de modo que las tensiones de apoyo se concentran bajo las alas y almas de la columna.
El complemento Steel Joints en RFEM 6 ofrece un enfoque avanzado para el dimensionamiento de placas base al considerar la flexibilidad de la placa base y las acciones de palanca que pueden producirse.
En comparación con los métodos tradicionales descritos en AISC Design Guide 1, este enfoque a menudo da como resultado diseños optimizados con placas base más delgadas.