Ejercicio nº 4 + 5 : El pórtico simple desplazable
8 m
4 m
A D B C I 2 I I3 t/m
2 t
Tomás Cabrera (E.U.A.T.M.)
El problema se puede afrontar en primera aproximación, utilizando una de las dos
ayudas que se tienen en todos los casos:
A/ Método de las secciones.
B/ Método de superposición.
En este caso aplicaremos el método de superposición, descomponiendo el estado
real en la suma de dos estados parciales que pueden tener realidad física o no (en
este caso sí):
1/ acción gravitatoria que resulta ser un estado simétrico de forma y carga.
+
2/ Acción de viento que resulta ser un estado simétrico de forma y antimétrico de carga. 3 ecuaciones generales de equilibrio y 6 incógnitas → Grado Hiperestático = 3
(método de las fuerzas)
8 m A D B C I 2 I I 3 t/m 2 t 8 m A D B C I 2 I I 3 t/m 8 m A D B C I I 2 t
=
Estado 1
+
Estado 2
Estado Real
2 IEjercicio nº 4: El pórtico simple (estado I)
Barra L A I K M.E.P. Izda Dcha nº m. bxh EI 2 1 3 8 6 4 1EI mt 1EI 1EI I I 2I I 30x30 30x30 60x30 -16,00 +16,008 m
A D I 2 I I -16,00 +16,00 1/2 1/2 1/2 1/2 +8,00 +4,00 -10,00 +8,00 +4,00 -10,00 -5,00 -5,00 +1,25 +2,50 +2,50 +1,25 -0,62 -0,31 -0,63 -0,31 +0,15 +0,16 +0,08 -10,66 +10,63 +10,66 +5,33 -10,63 -5,31Tomás Cabrera (E.U.A.T.M.) De la estructura croquizada de peso propio despreciable se pide: diagramas de solicitaciones a escala y acotados.
ETAPA I : M.E.P. y factores de reparto.
K2= EI → r2= .5 Nudo C: K3 = EI → r3= .5 ___________ _________ Σ Kj = 2EI Σ rj = 1 K1= EI → r1 = .5 Nudo B: K2 = EI → r2 = .5 __________ _________ Σ Kj = 2EI Σ rj = 1
ETAPA II : Equilibrio de nudos. Se liberan los nudos uno a uno, se equilibra y transmite en su caso.
Se comienza por el nudo más desequilibrado.
8 m
A D B C I 2 I I3 t/m
Estado 1
Ejemplo nº 4: estructura de dos nudos.(método matricial).
Tomás Cabrera (E.U.A.T.M.)
Paso 1º/ Todos los nudos giran en sentido positivo: Método Matricial.
Dos nudos sin desplazamientos. Grado hiperestático por el método de los desplazamientos = 2. Las incógnitas son: “
α
B” y “α
C”.Paso 2º/ Momentos en extremo de barra:
B C 2 3 t/m +M = + 16 mt2c _ +M = - 16 mt2b _ B 2 C B+ B M = K *2c C 2 M = * K *2b C 2 1/2 M = K *2b B 2 M = * K *2c 1/2 2 B C 2 C+ C D 3 M = K *3c C 3 3 C D M = * K *3d C 3 1/2 B A 1 M = K *1b B 1 1 B A M = * K *1a B 1 1/2 Barra L A I K M.E.P. Izda Dcha nº m. bxh EI 2 1 3 8 6 4 1EI mt 1EI 1EI I I 2I I 30x30 30x30 60x30 -16,00 +16,00
8 m
A D B C I 2 I I3 t/m
A D 2 I I B C 1 2 I 3 B CEstado 1
Ejemplo nº 4: estructura de dos nudos.(método matricial).
Tomás Cabrera (E.U.A.T.M.)
Paso 2º/ Momentos en extremo de barra:
K1 + K2
*
α
B=
+16
Vector
?
Matriz rigidez
Vector cargas nudos
Paso 4º/ Cálculo del vector de incógnitas (giro de nudos)
α
Bα
Cα
Bα
CK2 + K3
1/2 K2
1/2 K2
α
C–16
1 + 1
*
α
B=
+16
α
Bα
Cα
Bα
C1 + 1
½ * 1
½ * 1
α
C–16
B C 2 3 t/m +M = + 16 mt2c _ +M = - 16 mt2b _ B 2 C B+ B M = K *2c C 2 M = * K *2b C 2 1/2 M = K *2b B 2 M = * K *2c 1/2 2 B C 2 C+ C D 3 M = K *3c C 3 3 C D M = * K *3d C 3 1/2 B A 1 M = K *1b B 1 1 B A M = * K *1a B 1 1/2Ejemplo nº 4: estructura de dos nudos.(método matricial).
Tomás Cabrera (E.U.A.T.M.)
Paso 2º/ Momentos en extremo de barra:
Vector
?
Matriz rigidez
Vector cargas
nudos
1 + 1
*
α
B=
+16
α
Bα
Cα
Bα
C1 + 1
½ * 1
½ * 1
α
C–16
B C 2 3 t/m +M = + 16 mt2c _ +M = - 16 mt2b _ B 2 C B+ B M = K *2c C 2 M = * K *2b C 2 1/2 M = K *2b B 2 M = * K *2c 1/2 2 B C 2 C+ C D 3 M = K *3c C 3 3 C D M = * K *3d C 3 1/2 B A 1 M = K *1b B 1 1 B A M = * K *1a B 1 1/2Paso 4º/ Cálculo vector incógnitas (giro de nudos):
α
B= +10,6666/EI
α
C= –10,6666/EI
Paso 5º/ Momentos definitivos en extremo de barra: Condiciones de contorno:
1 1 2 2 30, 00 1* 0
* 10, 6666
5,33
0, 00 1*
10, 6666
*
10, 66
16, 00 1*
10, 6666
* 10, 6666
10, 66
16, 00 1*
10, 6666
* 10, 6666
10, 66
0, 00 1*
10, 6666
*
10
1
2
0
1
2
1
0
,
2
A B A B C C DM
mt
M
mt
M
mt
M
mt
M
366
0, 00 1* 0
1
* 10, 6666
2
5, 33
Dmt
M
mt
Paso 3º/ Equilibrio de momentos en los nudos:
Σ
M
B= 0
yΣ
M
C= 0
α
A= α
D= 0
δ
= 0
Σ
M
B= 0
Ejercicio nº 4: El pórtico simple Diagramas (estado 1)
Tomás Cabrera (E.U.A.T.M.)
De la estructura croquizada de peso propio despreciable se pide: diagramas de
solicitaciones a escala y acotados.
4,00 12,00 -4,00 -12,00 12,00 4,00 -4,00 -12,00 Equilibrio nudo B fuerzas Equilibrio nudo C fuerzas -12,00 -12,00 -12,00 -12,00 nudo B nudo C -10,66 -10,66 +10,66 +5,33 -10,66 -5,33 2 M. F. A D
8 m.
B C 1 3 12,00 12,00 4,00 2 4,00 4,00 4,00 V. A D8 m.
B C 1 3 -12,00 2 -4,00 -12,00 C C C N. 4,00 12,00 -4,00 4,00 4,00 4,00 1 3 12,00 12,00 12,00 4,00 4,00 -4,00 2 A D8 m.
B C 1 3 +13,33Ejemplo nº 5: el pórtico simple desplazable.(estado 2).
Tomás Cabrera (E.U.A.T.M.)
8 m
A D B C I I2 t
Estado 2
2 IDe la estructura croquizada de peso propio despreciable se pide: diagramas de solicitaciones a escala y acotados. ETAPA IV :.
8 m
A D I 2 I I -100,00 1/2 1/2 1/2 1/2 -100,00 -100,00 -100,00 +50,00 +25,00 +37,50 +18,80 +50,00 +25,00 +37,50 +18,75 -9,40 -4,70 -4,7 -9,40 +2,35 +59,40 +2,35 +1,17 -60,15 -80,00 -79,70 -59,40 +60,15 A I B 2 3 D C 2 t. 1 M 3 M 1 M M3 d1 d3 IVa = 0 t. = 4 t. = 35,038 (-59,40 - 79,70) / 4 = 34,775 (-60,15 - 80,0) / 4 = 35,038 2t -34,775 - 35,038 = 0 ? = +0,0286479595491... S de fuerzas cortantes + F ext. = 02
2 t.
V
isos.V
IIV
IVaBarra 1
Corte
Barra 3
Corte
Numéricamente
= 0 t. = 4 t. = 34,775 isos.V
IIV
ETAPA III :. ETAPA V :.d
1= d
3=
α
Ejercicio 5, diagramas de viento (v1= viento hacia la derecha)
Tomás Cabrera (E.U.A.T.M.) 2 t. C A D I 2 I I 1/2 1/2 1/2 1/2
+1,70
-1,72
-2,29
-2,28
-1,70
+1,72
Valores en mt.
A D8 m.
B C 1 3 2M. F.
A D8 m.
B C 1 30,43
21
1
V.
A D8 m.
B C 1 3+0,43
2-1,00
-0,43
TN.
+1,70
+1,70
-1,72
+1,70
-2,28
-2,29
1
1
C
C A I B 2 3 DEstado 2
Diagramas de viento
Ejemplo nº 5: pórtico simple desplazable.(método matricial).
Tomás Cabrera (E.U.A.T.M.)
Paso 1º/ Todos los nudos giran = se desplazan en sentido positivo, es decir, dan lugar a M +: Método Matricial.
Dos nudos sin desplazamientos. Grado hiperestático por el método de los desplazamientos = 3. Las incógnitas son: “
α
B” “α
C” y “Δ
”.Paso 2º/ Momentos en extremo de barra:
8 m A D B C I I 2 t Estado 2 2 I d1 d3 1 M M3 C B I 3 1 M 3 M A D 2 2 t. ETAPA III :.
d
1= d
3=
Δ
C
2 C+B
C
2B
2C
B+B
M = K *2c C 2 M = * K *2b C 2 1/2 M = K *2b B 2 M = * K *2c 1/2 2 BB
A
1 M = K *1b B 1 1B
A
M = * K *1a B 1 1/2C
D
3 M = K *3c C 3 3C
D
M = * K *3d C 3 1/2 d =1B
M = * K * / L1a 1,5 1 1 M = * K * / L1a 1,5 1 1 1 d =3C
M = * K * / L3d 1,5 3 3 M = * K * / L3c 1,5 3 3 3D
A
Ejemplo nº 5: pórtico simple desplazable.(método matricial).
Tomás Cabrera (E.U.A.T.M.)
8 m
A D B C I I2 t
Estado 2
2 IPaso 3º/ Equilibrio de momentos en los nudos:
Σ
M
B
= 0
Σ
M
C
= 0 y
Σ
Fh = 0
Vector
?
Matriz rigidez
Vector cargas
nudos
1 + 1
*
α
B=
0,00
α
Bα
Cα
Bα
C½ * 1
α
C0,00
Hay que introducir en el método matricial la ecuación de equilibro del dintel
1 + 1
½ * 1
Δ
1,5*K1/L1Δ
1,5*K3/L3 1,5*K1/L1 1,5*K3/L3 3(K1+K3)/L2Δ
–2,00
Σ
M
B= 0
Σ
M
C= 0
Σ
Fh = 0
B
A
1 M = K *1b B 1 1B
A
M = * K *1a B 1 1/2C
D
3 M = K *3c C 3 3C
D
M = * K *3d C 3 1/2 d =1B
M = * K * / L1a 1,5 1 1 M = * K * / L1a 1,5 1 1 1 d =3C
M = * K * / L3d 1,5 3 3 M = * K * / L3c 1,5 3 3 3D
A
1,5*K1/L1 1,5*K3/L3 3 K3/L32 3 K1/L12 2+2 t.
1,5 K * / L
1 11,5 K * / L
3 3 + 0,425 t3 ( K +K ) / h
3 + 0,425 t 1 1 2cortante de giro B cortante de giro C
2,85 t CORTANTE PISO B B C C isos.
= 0 t.
V
V
isos.= 0 t.
Ejemplo nº 5: pórtico simple desplazable.(método matricial).
Tomás Cabrera (E.U.A.T.M.)
Vector
?
Matriz rigidez
Vector cargas
nudos
2
*
α
B=
0,00
α
Bα
Cα
Bα
C0,5
α
C0,00
2
0,5
Δ
0,375Δ
0,375 0,375 0,375 0,375Δ
–2,00
Σ
M
B= 0
Σ
M
C= 0
Σ
Fh = 0
B
A
1 M = K *1b B 1 1B
A
M = * K *1a B 1 1/2C
D
3 M = K *3c C 3 3C
D
M = * K *3d C 3 1/2 d =1B
M = * K * / L1a 1,5 1 1 M = * K * / L1a 1,5 1 1 1 d =3C
M = * K * / L3d 1,5 3 3 M = * K * / L3c 1,5 3 3 3D
A
1,5*K1/L1 1,5*K3/L3 3 K3/L32 3 K1/L12Paso 4º/ Cálculo vector de incógnitas:
α
B=
α
C= +1,1439/EI
Δ
= –7,6190/EI
Paso 5º/ Momentos definitivos en extremo de barra: Condiciones de contorno:
α
A= α
D= 0
1 1 2 2 30, 00 1* 0
* 1,1439
* 7, 6190 / 4
2, 29
0, 00 1*
1,1439
*
* 7, 6190 / 4
1, 71
0, 00 1*
1,1439
* 1,1439
*0 / 8
1, 71
0, 00 1*
1,1439
* 1,1439
* 0 / 8
1, 7
1
1, 5
2
0
1,5
1
1,5
2
1
1,5
2
1
A B A B CM
mt
M
mt
M
mt
M
mt
M
30, 00 1*
1,1439
*
* 7, 6190 / 4
1, 71
0, 00 1* 0
* 1,1439
0
1, 5
1
1
,5
*
2
7, 6190 / 4
2, 29
C D Dmt
M
mt
+2t
Ejemplo nº 6 = 4 + 5: pórtico simple completo.(método matricial).
Tomás Cabrera (E.U.A.T.M.)
Paso 1º/ Todos los nudos giran o se desplazan en sentido positivo, es decir, dan lugar a M +: Método Matricial.. Las incógnitas son: “
α
B” “α
C” y “Δ
”.Paso 2º/ Momentos en extremo de barra:
d1 d3 1 M M3 C B I 3 1 M 3 M A D 2 2 t.
d
1= d
3=
Δ
Estado 2
A D 2 I I B C 1 2 I 3 B CEstado 1
C
2 C+B
C
2B
2C
B+B
M = K *2c C 2 M = * K *2b C 2 1/2 M = K *2b B 2 M = * K *2c 1/2 2 BB
A
1 M = K *1b B 1 1B
A
M = * K *1a B 1 1/2C
D
3 M = K *3c C 3 3C
D
M = * K *3d C 3 1/2 d =1B
M = * K * / L1a 1 1,5 1 M = * K * / L1a 1 1,5 1 1 d =3C
M = * K * / L3d 3 1,5 3 M = * K * / L3c 3 1,5 3 3D
A
3 t/m
+M = + 16 mt2c _ +M = - 16 mt2b _ 8 m A D B C I 2 I I 3 t/m 2 t Estado RealEjemplo nº 6: pórtico simple completo.(superposición).
Tomás Cabrera (E.U.A.T.M.)
Vector
?
Matriz rigidez
Vector cargas
nudos
2
*
α
B=
+16,00
α
Bα
Cα
Bα
C0,5
α
C–16,00
2
0,5
Δ
0,375Δ
0,375 0,375 0,375 0,375Δ
–2,00
Σ
M
B= 0
Σ
M
C= 0
Σ
Fh = 0
B
A
1 M = K *1b B 1 1B
A
M = * K *1a B 1 1/2C
D
3 M = K *3c C 3 3C
D
M = * K *3d C 3 1/2 d =1B
M = * K * / L1a 1,5 1 1 M = * K * / L1a 1,5 1 1 1 d =3C
M = * K * / L3d 1,5 3 3 M = * K * / L3c 1,5 3 3 3D
A
1,5*K1/L1= 0,375 1,5*K3/L3= 0,375 3 K3/L32=
0,1875
3 K1/L12=
0,1875
Paso 4º/ Cálculo de incógnitas:
α
B= +11,8095/EI
α
C= -9,5238/EI
Δ
= -7,6190/EI
Paso 5º/ Momentos definitivos en extremo de barra: Condiciones de contorno:
α
A= α
D= 0
+2t
1 1 2 20, 00 1* 0
* 11,8095
* 7, 6190 / 4
3, 05
0, 00 1*
11,8095
*
* 7, 6190 / 4
8,95
16, 00 1*
11,8095
* 9,5238
* 0 / 8
8, 95
16, 00 1*
9,5238
* 11,8
1
1, 5
2
0
1, 5
1
095
*0
1, 5
2
1
1
5
8
2
,
/
A B A B CM
mt
M
mt
M
mt
M
3 312, 38
0, 00 1*
9,5238
*
* 7, 6190 / 4
12,38
0, 00 1* 0
* 9, 5238
* 7, 6
0
1,
190 / 4
7
5
1
1,5
2
, 62
C D Dmt
M
mt
M
mt
Ejercicios 5 + 6 , diagramas definitivos o de Cross
Tomás Cabrera (E.U.A.T.M.) Ejercicios nº 4 + 5:
Acción gravitatoria + acción viento ---Acciones permanentes: carga
gravitatoria.
G
Carga permanentes.+
Q
Carga variable. Acción variable:V
1sobrecarga viento V1.Tomás Cabrera (E.U.A.T.M.)
A D
8 m.
B C 1 3 -8,96 -12,38 +12,38 +3,05 -8,96 -7,62 2 M. F. A D8 m.
B C 1 3 11,57 12,43 3,00 2 3,00 5,00 5,00 V. A D8 m.
B C 1 3 -11,57 2 -5,00 -12,43 C C C N. 5,00 11,57 -5,00 3,00 3,00 3,00 1 3 12,43 12,00 12,43 5,00 5,00 -5,00 2 3,00 11,57 -3,00 -11,57 12,43 5,00 -5,00 -12,43 Equilibrio nudo B fuerzas Equilibrio nudo C fuerzas -11,57 -11,57 -12,43 -12,43 nudo B nudo C +13,33 2,00Pórtico simple: Combinación de Acciones
Tomás Cabrera (E.U.A.T.M.)
Diagramas para dimensionado y/oarmado
Pórtico simple
Acción gravitatoria + acción viento ---Acciones permanentes: carga gravitatoria.
G
Carga permanentes.Q
Carga variable. Acción variable:V
1sobrecarga viento V1.V
2sobrecarga viento V2 .Envolvente de solicitaciones
A D8 m.
B C 1 3-12,38
-12,38
+12,38
+7,62
-12,38
-7,62
2M. F.
A D8 m.
B C 1 312,43
12,43
5,00
25,00
5,00
5,00
V.
A D8 m.
B C 1 3-12,43
2-5,00
-12,43
C
CC
N.
+13,33
Características de la matriz de rigidez y sobre el método matricial.
Tomás Cabrera (E.U.A.T.M.)
Vector
?
Matriz rigidez
Vector cargas
nudos
2
*
α
B=
+16,00
α
Bα
Cα
Bα
C0,5
α
C–16,00
2
0,5
Δ
0,375Δ
0,375 0,375 0,375 0,375Δ
–2,00
Σ
M
B= 0
Σ
M
C= 0
Σ
Fh = 0
B
A
1 M = K *1b B 1 1B
A
M = * K *1a B 1 1/2C
D
3 M = K *3c C 3 3C
D
M = * K *3d C 3 1/2 d =1B
M = * K * / L1a 1,5 1 1 M = * K * / L1a 1,5 1 1 1 d =3C
M = * K * / L3d 1,5 3 3 M = * K * / L3c 1,5 3 3 3D
A
1,5*K1/L1= 0,375 1,5*K3/L3= 0,375 3 K3/L32=
0,1875
3 K1/L12=
0,1875
1º/ Es un invariante estructural, una vez formulado representa a la estructura y a cualquier otra que sea geométricamente semejante (igual relación de rigideces en los nudos).
2º/ Si se quiere analizar otra hipótesis de carga es suficiente con cambiar el vector de cargas.
+2t
a/ Submatriz de giros y trasmisiones en la diagonal principal están las sumas de rigideces de las barras concurrentes en los nudos.
b/ Submatriz de MEP en los nudos debidos a desplazamientos de planta (etapa III de Cross).
c/ Submatriz de fuerzas que equilibran la suma de momentos en los extremos de los pilares debidas a los giros.
d/ Submatriz de fuerzas (rigidez de planta) que equilibran la suma de momentos en los extremos de los pilares debidas al desplazamiento de la planta correspondiente..
4º/ La matriz de rigidez es simétrica, y suponiendo giros y desplazamientos + todos los números que la componen son positivos.
Las demás casillas contienen las trasmisiones correspondientes. 3º/ La matriz de rigidez tiente cuatro submatrices:
Resumen Simplificaciones de Simetría de forma y carga
Tomás Cabrera (E.U.A.T.M.)
El eje de simetría corta a la estructura por:
1/ Un nudo con 2 barras.
2/ El centro de una barra perpendicular a la directriz.
3/ Un nudo con viga continua sobre pilar
Esquema de simetría
El eje de simetría corta a la estructura por:
1/ Un nudo con 2 barras.
El giro del nudo es nulo<> equivale a un empotramiento para la etapa II de Cross. .
2/ El centro de una barra perpendicular a la directriz.
Se utiliza una rigidez virtual equivalente al 50% de la rigidez real. (sólo cambia los factores de reparto).
3/ Un nudo con viga continua sobre un pilar.
El giro del nudo es nulo. Una viga empotra a la otra <> equivale a un empotramiento y el pilar sólo toma la solicitación axil.
Resumen Simplificaciones de Antisimetría de carga
Tomás Cabrera (E.U.A.T.M.)
El eje de simetría corta a la estructura por:
1/ Un nudo con 2 barras.
2/ El centro de una barra perpendicular a la directriz.
3/ Un nudo con viga continua sobre pilar
Esquema de Antisisimetría
El eje de antisimetría corta a la estructura por:
1/ Un nudo con 2 barras.
No hay oposición al giro, una barra no empotra a la otra. Se coloca una articulación en el nudo A, y la rigidez de la barra 1 es 3EI/L.
2/ El centro de una barra perpendicular a la directriz.
Se utiliza una rigidez virtual equivalente al 150% de la rigidez real. (sólo cambian los factores de reparto).
3/ Un nudo con viga continua sobre un pilar.
Como el eje de antisimetría corta longitudinalmente al pilar, queda medio pilar. Se utiliza la rigidez
Ejercicio nº 7: El pórtico simple con simplificaciones
Tomás Cabrera (E.U.A.T.M.)
1+0,5
α
Bα
BΣ
M
B= 0
Paso 4.1º/ Cálculo de incógnitas:
α
B= +10,6666
α
C= -10,6666
Δ
= 0,00
Paso 5º/ Momentos definitivos en extremo de barra: Condiciones de contorno:
α
A= α
D= 0
8 m A D B C I 2 I I 3 t/m 2 t 8 m A D B C I 2 I I 3 t/m 8 m A D B C I I 2 t=
Estado 1
+
Estado 2
Estado Real
2 I*
α
B=
+16,00
Paso 3.1º/ (Estado 1).Momentos en extremo de barra del estado 1 con simplificaciones de simetría:
Paso 3.2º/ (Estado 2).
Momentos en extremo de barra del estado 1 con simplificaciones de antisimetría:
1+1,5
*
α
B=
0,00
α
Bα
BΔ
0,375Δ
0,375 0,1875Δ
-1,00
Σ
M
B= 0
Σ
Fh = 0
Paso 4.2º/ Cálculo de incógnitas:
α
B= +1,1429
α
C= +1,1429
Δ
= -7,6190
Paso 4º/ Superponiendo resultados