Análisis estructural

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II. Análisis estructural 
Procedimiento que lleva la determinación de la respuesta del sistema estructural ante la 
solicitación de las acciones externas que puedan incidir sobre dicho sistema. La 
respuesta de una estructura o de un elemento es su comportamiento bajo una acción 
determinada; está en función de sus propias características y puede expresarse en 
función de deformaciones, agrietamiento, vibraciones, esfuerzos, reacciones, etc. 
Para obtener dicha respuesta requerimos considerar los siguientes aspectos: 
1. El modelo teórico-analítico 
2. Las acciones de diseño 
3. La Respuesta estructural 
 
1. Modelo teórico-analítico. 
En el análisis se requiere seleccionar un modelo teórico-analítico de la estructura 
factible de ser analizado con los procedimientos de cálculo disponible, debe incluir: 
a. El Modelo estructural 
b. El modelo de condiciones de continuidad 
c. El modelo de comportamiento del material 
d. El modelo de acciones impuestas 
 
a. El modelo estructural. Esquema que representa las principales características 
geométricas de la estructura. La estructura se debe discretizar de forma que se pueda 
representar los esfuerzos y deformaciones esperadas de acuerdo a las características 
geométricas del sistema resistente y de los elementos. El modelo estructural debe ser 
consistente con el método de análisis y debe aproximarse al comportamiento real. En el 
análisis estático se debe idealizar la geometría de la estructura y de los elementos 
mediante un modelo adecuado que refleje su rigidez. En el análisis dinámico se debe 
idealizar la geometría de la estructura y de los elementos mediante un modelo adecuado 
que refleje la masa de los elementos estructurales y no estructurales, la rigidez lateral y 
el amortiguamiento de la estructura. 
 
 
 
La estructura se puede idealizar como un conjunto de pórticos planos (2D) definidos por 
juntas y elementos. 
 
En el análisis estático se consideran 3 desplazamientos en los nodos o grados de libertad 
globales. 
 
 
 
Los elementos utilizados para el análisis son tipo BEAM de dos nodos con tres grados 
de libertad por nodo, lo que permite determinar las rotaciones por flexión, los 
desplazamientos transversales por corte y los alargamientos por axiales. 
 
Elemento tipo BEAM con 6 grados de libertad locales para análisis 2D 
 
En la práctica, las deformaciones por cortante se desprecian en miembros estructurales 
esbeltos, como las vigas, en este caso se pueden utilizar elementos tipo BEAM con 3 
grados de libertad correspondientes a las rotaciones por flexión y el alargamiento por 
fuerzas axiales. Cuando se usan diafragmas rígidos se pueden despreciar las 
deformaciones axiales en vigas. 
 
 
Elemento tipo BEAM con 3 grados de libertad locales para análisis 2D 
 
Las deformaciones axiales en columnas pueden o no ser consideradas, en edificios altos 
y/o esbeltos pueden introducir aumentos considerables en su flexibilidad, por lo tanto es 
importante tomarlas en cuenta. 
Para análisis dinámico las edificaciones aporticadas regulares con diafragmas rígidos se 
pueden modelar como sistemas de masas concentradas por nivel o en los nodos con un 
grado de libertad dinámico por nivel. 
 
En ocasiones, es necesario considerar el efecto de la tabiquería (cuando se tienen 
diferentes distribuciones de paredes en cada nivel) en la rigidez lateral de la edificación. 
 
 
En este caso se usan elementos tipo biela diagonal para modelar la tabiquería, que sólo 
tienen rigidez axial, afectando sólo la rigidez lateral de la estructura pero sin cambiar el 
comportamiento predominante a flexión de los elementos de pórtico. 
 
 
Elemento tipo BEAM y tipo BARRA (STRUSS) para análisis 2D considerando 
pórticos rellenos con mampostería 
 
 
La estructura se puede idealizar como un conjunto de pórticos con arreglo 
tridimensional (3D) definidos por juntas y elementos. 
 
En el análisis estático se consideran 6 desplazamientos en los nodos o grados de libertad 
globales. 
 
Los elementos utilizados para el análisis son tipo BEAM de dos nodos con seis grados 
de libertad por nodo, lo que permite determinar las rotaciones por flexión, los 
desplazamientos transversales por corte, los alargamientos por axiales y la rotación por 
torsión. 
 
Elemento tipo BEAM con 12 grados de libertad locales para análisis 3D 
 
Se pueden hacer simplificaciones del problema considerando grados de libertad 
asociados a los desplazamientos longitudinales por fuerza axial, transversal por corte y 
rotación por torsión, como en el elemento indicado en la figura 
 
Elemento tipo BEAM con 6 grados de libertad locales para análisis 3D 
 
Para análisis dinámico las edificaciones aporticadas regulares con diafragmas rígidos se 
pueden modelar como sistemas de masas concentradas por nivel o en los nodos con tres 
grados de libertad dinámicos por nivel. 
 
Las edificaciones con sistemas resistentes a base de muro bajo cargas laterales se 
comportan como ménsulas verticales empotradas en la base, deformándose por flexión, 
corte. Se idealizan como pantallas conectadas a través de vigas cortas. 
 
 
Los elementos utilizados en el análisis para representar el comportamiento de las vigas 
cortas son tipo BEAM de dos nodos con tres grados de libertad por nodo, lo que permite 
determinar las rotaciones por flexión, los desplazamientos transversales por corte y los 
alargamientos por axiales 
 
También pueden usarse elementos con nudos infinitamente rígidos a flexión, ya que en 
este tipo de elemento corto dominan los esfuerzos cortantes. 
 
Los elementos utilizados para el análisis para representar el comportamiento de muros 
pueden ser de tipo BEAM de dos nodos con dos grados de libertad por nodo, lo que 
permite determinar los desplazamientos transversales por corte y los alargamientos por 
axiales o Shell (columnas anchas) con seis o doce grados de libertad 
 
Para análisis dinámico las edificaciones regulares a base de muros con diafragmas 
rígidos se pueden modelar como sistemas de masas concentradas por nivel o en los 
nodos con tres grados de libertad dinámicos por nivel si se usa análisis 3D o de un grado 
de libertad dinámico se usa análisis 2D. 
 
Normas recientes para el diseño sísmico exigen la incorporación de la flexibilidad del 
diafragma en edificaciones que presenten irregularidades de configuración en planta en 
la determinación de las fuerzas sísmicas de diseño. 
Los elementos utilizados en el análisis para representar el comportamiento de los 
pórticos son tipo BEAM de dos nodos con tres grados de libertad por nodo, lo que 
permite determinar las rotaciones por flexión, los desplazamientos transversales por 
corte y los alargamientos por axiales. Para los difragmas se usan elementos planos tipo 
Shell de cuatro o tres nodos. 
 
 
 
En el caso dinámico, las edificaciones que presentan diafragmas flexibles se deben 
analizar espacialmente e incorporar el diafragma (losas) en la determinación de la 
respuesta (desplazamientos y fuerzas), sólo pueden usarse modelos de masa concentrada 
o consistente para los elementos. 
 
 
 
b. Modelo de las condiciones de continuidad en las fronteras. Debe establecerse 
como cada elemento está conectado a sus adyacentes y cuáles son las condiciones de 
apoyo de la estructura. 
 
 
c. Modelo del comportamiento de los materiales. Debe suponerse una relación 
acción - respuesta o esfuerzo - deformación del material que compone la estructura. 
 
 
 
d. Modelo de las acciones impuestas. Las acciones que afectan la estructura para una 
condición dada de funcionamiento se representan por fuerzas o desplazamientos 
impuestos. 
 
 
 
2. Las acciones de diseño 
En esta segunda etapa del proyecto, se identifican las acciones que se consideran que 
van a incidir o que tienen posibilidad de actuar sobre el sistema estructural durante su 
vida útil. Entre estas acciones seencuentra, por ejemplo, las acciones permanentes 
como la carga muerta, acciones variables como la carga viva y acciones accidentales 
como el viento y el sismo. Cuando se sabe de antemano que en el diseño se tienen que 
considerar las acciones accidentales es posible seleccionar en base a la experiencia la 
estructuración más adecuada para absorber dichas acciones. 
 
Para evaluar el efecto de las acciones sobre la estructura requerimos modelar dichas 
acciones como fuerzas concentradas, lineales o uniformemente distribuidas. Si la acción 
es de carácter dinámico podemos proponer un sistema de fuerzas equivalentes o una 
excitación propiamente dinámica. 
 
Atendiendo los conceptos de seguridad estructural y de los criterios de diseño, la 
clasificación de las acciones se hace en base a la variación de su intensidad con el 
tiempo. Se distinguen así los siguientes tipos de acciones: 
 
Acciones permanentes.: son las que actúan en forma continua sobre la estructura y cuya 
intensidad pude considerarse que no varía con el tiempo. Pertenecen a este grupo las 
siguientes. 
– Cargas muertas debidas al propio peso de la estructura y al de los elementos no 
estructurales de la construcción 
– Empujes estáticos de líquidos y tierras 
 
Acciones variables; .son aquellas que inciden sobre la estructura con una intensidad 
variable con el tiempo, pero que alcanzan valores importantes durante lapsos grandes. 
Se pueden considerar las siguientes: 
– Cargas vivas, o sea aquellas que se deben al funcionamiento propio de la 
construcción y que no tienen carácter permanente 
– Cambios de temperaturas 
– Cambios volumétricos 
 
Acciones accidentales: son aquellas que no se deben al funcionamiento normal de la 
construcción y que puede tomar valores significativos solo durante algunos minutos o 
segundos, a lo mas horas en toda la vida útil de la estructura. Se consideran las 
siguientes: sismos, vientos, oleajes, explosiones. 
 
En muchas situaciones las cargas y otras acciones que introducen esfuerzos en la 
estructura están definidas por los reglamentos de las construcciones y es obligación del 
proyectista sujetarse a ellos. 
 
 
3. La respuesta estructural 
La respuesta estructural se obtiene para dos casos de análisis: 
 Dinámico o sísmico 
 Estático 
En el análisis dinámico o sísmico la respuesta viene dada por los desplazamientos 
laterales (verificación de la seguridad y estado límite de servicio) y por las acciones 
sísmicas de diseño(S) de acuerdo a la Norma Covenin 1756-2001 
 
 
 
En el análisis estático la respuesta viene dada por los esfuerzos últimos (axiales, 
cortantes, flectores y torsores) combinando las acciones por cagas gravitacionales + 
fuerzas sísmicas de diseño de acuerdo a la norma Covenin 1753-2006 
 
 
 
III. Diseño estructural elementos de concreto armado 
Procedimiento para determinar las dimensiones definitivas del sistema estructural y el 
detallado de los elementos de acuerdo a especificaciones normativas, de forma que la 
resistencia de diseño de un elemento no sea menor que la resistencia última requerida. 
 
 
 
El sistema estructural debe tener la resistencia, rigidez y estabilidad para comportarse 
satisfactoriamente y con seguridad bajo la combinación de acciones que actuando 
simultáneamente produzcan el efecto más desfavorable. En esta etapa se define a detalle 
la estructura y se revisa si se cumple con los requisitos de seguridad adoptados. 
El refuerzo se calcula según la teoría de rotura para secciones sometidas a flexión, corte 
axial o torsión de acuerdo a la Norma Covenin 1753-2006 o ACI318-2005. 
 
Los esfuerzos actuantes (U) se determinan de un análisis lineal elástico. Las secciones 
se diseñan para las combinaciones de carga (Norma Covenin 1753-2006). La capacidad 
resistente nominal de las secciones se determina en la falla del material. Se usan 
factores de reducción de resistencia 
 
 
 
Los elementos a considerar en el diseño de estructuras aporticadas son: vigas, columnas 
y nodos. El detallado del refuerzo deberá cumplir con los requisitos establecidos en el 
capítulo 18 de la norma Covenin 1753-2006 o capítulo 21 de la norma ACI318-2005 
correspondiente a disposiciones especiales para el diseño sísmico. 
 
 
 
 
 
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