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1 Análisis de estructuras por el Método de la rigidez e introducción a los elementos finitos Análisis matricial de estructuras por el método de la rigidez Apuntes Resolución de problemas Introducción a los Elementos finitos Brayan D. Novely Edición revisada 𝒖 = −∫ 𝑷 𝑬𝑨 𝒅𝒙 + 𝒄𝒊 2 Análisis de estructuras por el Método de la rigidez e introducción a los elementos finitos Análisis matricial de estructuras por el método de la rigidez Apuntes Brayan D. Novely Cabrales Ingeniero Civil, Universidad de Pamplona Especialista en Análisis y Diseño de estructuras, Universidad del Norte Revisión técnica Andrés Fernando Guzmán Guerrero, Dr. Ing. Docente asociado a Universidad del Norte Ingeniero Civil, Universidad Nacional de Colombia Magíster en Ingeniería Civil, Universidad de los Andes Doctor en Ingeniería, Universidad de los Andes 3 Análisis de estructuras por el Método de la rigidez e introducción a los elementos finitos Acerca del autor Brayan D. Novely (Riohacha, 1989) es un ingeniero civil joven egresado de la Universidad de Pamplona, Colombia, facultad de ingenierías y arquitectura, Especialista en análisis y diseño de estructuras de la Universidad del Norte. Ha realizado diversos trabajos de consultoría en el área de evaluación sísmica y diseño estructural en concreto reforzado. Ostenta trabajos de investigación en su alma mater relacionados con la evaluación del módulo de elasticidad estático del concreto, presentando modelos matemáticos para la obtención de este parámetro vital en el análisis y el diseño de estructuras de hormigón reforzado. Actualmente se desempeña como consultor en la ingeniería estructural e instructor en el Servicio Nacional de aprendizaje (SENA), en el programa de obras civiles. 4 Análisis de estructuras por el Método de la rigidez e introducción a los elementos finitos Catalogación bibliográfica Análisis Matricial de estructuras por el método de la rigidez Problemas Resueltos e introducción a los elementos finitos Autor: Novely Cabrales, Brayan D. Derechos de autor reservado Correo electrónico: bnovely@uninorte.edu.co bryannovely@gmail.com Editor: INDEPENDIENTE Colombia, 2015 Área: Ingeniería Estructural Formato: Carta 20.0 cm x 25.0 cm Esta obra se realizó de forma libre y abierta con la intención de apoyar la formación y enseñanza académica en la disciplina de estructuras específicamente el análisis estructural a estudiantes de pregrado y postgrado. No está permitido el tratamiento informático, ni la transmisión de ninguna forma o cualquier medio, ya sea electrónico, mecánico, por fotocopia, por registro u otros métodos, con fines comerciales sin la autorización del autor. TODOS LOS DERECHOS RESERVADOS 2016 Impreso en Colombia mailto:bnovely@uninorte.edu.co mailto:bryannovely@gmail.com 5 Análisis de estructuras por el Método de la rigidez e introducción a los elementos finitos Prólogo Este texto, originado a partir de las notas de clase del módulo de Análisis estructural en el Postgrado de Análisis y diseño de estructuras de la Universidad del Norte, se realizó con el fin de plasmar el ejercicio académico desarrollado en este y contribuir a modo de apoyo a estudiantes y profesores de ingeniería civil a nivel de Pregrado y Postgrado en el aprendizaje y enseñanza del análisis estructural. Se denomina análisis estructural al cálculo de las fuerzas internas y deformaciones que desarrollan los elementos de una estructura cuando ésta se ve sometida a la aplicación de cargas externas. La finalidad del cálculo matricial consiste en agrupar toda la información necesaria en matrices que relacionan todas las variables como son las cargas, propiedades mecánicas de los miembros de la estructura y los desplazamientos desconocidos, que a su vez describen ecuaciones de equilibro en todos los nudos de la estructura, por lo tanto la solución puede ser de manera automática mediante el uso de programas o software de ordenadores que es la práctica habitual hoy en día. En esta oportunidad se presenta el método de la rigidez o método de los desplazamientos para el análisis de estructuras bidimensionales, que consiste en la relación de una carga y el desplazamiento que esta produce asumiendo un comportamiento elástico y lineal del material para un estado de pequeñas deformaciones, o también se puede definir la rigidez como la fuerza necesaria para producir un desplazamiento unitario en el sentido y dirección de la carga. El método de los elementos finitos es realmente una extensión del método de la rigidez ya que requiere subdividir la estructura en elementos discretos y sus extremos definidos como nodos; estos elementos no solo son de tipo barra sino que pueden ser tridimensionales de distintas formas geométricas que modelan en mayor complejidad un problema físico. 6 Análisis de estructuras por el Método de la rigidez e introducción a los elementos finitos El texto de conceptualización general y sentido práctico, esta enfatizado en la resolución de una diversidad de ejercicios y presenta una metodología sencilla con el fin encontrar la respuesta en base a las propiedades elásticas de la estructura, además lleva al lector a comprender la forma en que operan programas de diseño reconocidos como SAP2000, ETABS, ANSYS, COMSOL, MIDAS GEN entre otros, ya que se basan en esta teoría. El texto se divide en cinco capítulos. En el capítulo 1 se exponen los conceptos generales del método así como la matriz de rigidez para cada tipo de elemento sea armadura, viga o pórtico con la matriz de transformación de coordenadas con su respectiva demostración y su aplicabilidad para cada elemento. En los capítulos 2,3 y 4 se analizan ejercicios de cerchas, vigas y pórticos respectivamente con su metodología de análisis teniendo en cuenta las condiciones de frontera propuesta en los ejercicios. En el capítulo 5 se presentan problemas que permiten vislumbrar los conceptos y la filosofía del método de los elementos finitos y la confiabilidad del método de la rigidez y límites de su aplicabilidad en estructuras cuyos elementos son en concreto. Brayan D. Novely A Dios, fuente de mi inspiración. 7 Análisis de estructuras por el Método de la rigidez e introducción a los elementos finitos Índice de contenido CAPÍTULO 1 9 CONCEPTOS GENERALES 9 1.1 Matriz de rigidez local 9 1.1.1 Elemento tipo cercha 9 1.1.2 Elemento tipo viga 11 1.1.3 Elemento tipo pórtico 13 1.2 Matriz de transformación de coordenadas 15 1.3 Matriz de rigidez global de los elementos 18 CAPÍTULO 2 19 CERCHAS 19 2.1 Ejercicio 1. Cercha asimétrica con elementos inclinados 19 2.2 Ejercicio 2. Cercha rectangular con elementos inclinados 38 CAPÍTULO 3 59 VIGAS 59 3.1 Ejercicio. Viga de tres luces con cargas puntual, continua y variable. 59 3.2 Ejercicio. Viga de dos luces y sección en voladizo 72 8 Análisis de estructuras por el Método de la rigidez e introducción a los elementos finitos CAPÍTULO 4 77 PÓRTICOS PLANOS 77 4.1 Análisis de pórtico simple con elemento en diagonal. 77 4.2 Análisis de un pórtico con carga distribuida sobre elemento inclinado. 96 CAPÍTULO 5 111 INTRODUCCIÓN A LOS ELEMENTOS FINITOS 111 5.1 Análisis de una viga con inercia variable y sección trapezoidal. 112 5.2 Ejercicio 5.1 realizado en sap2000 versión académica 131 5.3 Análisis sísmico de pórtico bidimensional de concreto conbase en el reglamento NSR-10. 153 5.4 Análisis de la sección trasversal de un puente apoyado sobre una columna. 179 APÉNDICE A 197 Momentos de empotramiento en vigas 197 BIBLIOGRAFIA 198 9 Análisis de estructuras por el Método de la rigidez e introducción a los elementos finitos Capítulo 1 CONCEPTOS GENERALES Este capítulo presenta la matriz de rigidez local de los elementos planos tipo cercha, viga y pórtico con la representación de los grados de libertad para cada elemento. Se incluye la matriz de transformación de coordenadas locales a globales con su respectiva demostración la cual se utilizará en la resolución de los diferentes ejercicios. Para el completo entendimiento de la metodología presentada es necesario tener conocimientos previos de álgebra matricial y el manejo de a lo sumo un programa donde se puedan operar eficientemente matrices como Matlab, Scilab, Excel, Mathcad, entre otros. 1.1 Matriz de rigidez local 1.1.1 Elemento tipo cercha Un elemento tipo cercha (Fig. 1.1.1-a) solo presentará fuerzas axiales internas siempre y cuando las cargas externas sean aplicadas en los nudos de la cercha y los apoyos sean rotulados para que no se desarrollen momentos flectores. Para el elemento mostrado a continuación la matriz de rigidez será la presentada en la figura 1.1.1-b. Figura 1.1.1-a. Elemento tipo cercha 10 Análisis de estructuras por el Método de la rigidez e introducción a los elementos finitos Figura 1.1.1-b. Matriz de rigidez para un elemento tipo Cercha, solo consideración axial Dónde: A: es el área de la sección transversal del elemento E: módulo de elasticidad del material L: longitud del elemento Para facilitar las operaciones matriciales en el presente texto, la numeración de los grados de libertad (gdl) para el elemento y la matriz de rigidez local se representan de manera numérica (Figuras 1.1.1-c, 1.1.1-d). Figura 1.1.1-c. Elemento tipo cercha con los gdl representados numéricamente X1 Y1 X2 Y2 0 0 X1 0 0 0 0 Y1 0 0 X2 0 0 0 0 Y2 1 2 3 4 [ k ] = - - 11 Análisis de estructuras por el Método de la rigidez e introducción a los elementos finitos Figura 1.1.1-d. Matriz de rigidez de un elemento tipo cercha Representado por los grados de libertad numéricamente. 1.1.2 Elemento tipo viga La matriz de rigidez de un elemento viga (figura 1.1.2-a) sin consideración de la rigidez axial será la presentada en la figura 1.1.2-b. Figura 1.1.2-a. Elemento tipo viga 12 Análisis de estructuras por el Método de la rigidez e introducción a los elementos finitos Figura 1.1.2-d. Matriz de rigidez para un elemento tipo viga sin consideración axial ni aportes de cortante. Dónde: Iy: es el momento de inercia de la sección transversal del elemento con respecto al eje y, para este sistema de referencia. La matriz mostrada en la Figura 1.1.2-b, solo sería aplicable para vigas sin el estudio de la rigidez axial, la principal solicitación para estos elementos es a cortante y flexión, En caso de tener cargas inclinadas sobre la viga y se desean conocer la fuerzas axiales se utiliza la matriz de rigidez de un elemento pórtico que si involucra esta variable. Para facilitar las operaciones matriciales en el presente texto se trabajaran los grados de libertad de manera numérica en coordenadas locales del elemento (figuras 1.1.2-c, 1.1.2-d). Figura 1.1.2-c. Elemento tipo viga representado numéricamente Z1 Y1 Z2 Y2 Z1 Y1 Z2 Y2 [k] = - - - - - - 13 Análisis de estructuras por el Método de la rigidez e introducción a los elementos finitos Figura 1.1.2-b. Matriz de rigidez para un elemento tipo viga sin consideración axial ni aportes de cortante representada numéricamente 1.1.3 Elemento tipo pórtico La matriz de rigidez de un elemento tipo pórtico (figura 1.1.3-a) sin la consideración por aportes de cortante es la representada en la figura 1.1.3-b. Figura 1.1.3-a. Elemento tipo pórtico. 1 2 3 4 1 2 3 4 [k] = - - - - - - 14 Análisis de estructuras por el Método de la rigidez e introducción a los elementos finitos Figura 1.1.3-b. Matriz de rigidez de un elemento tipo pórtico sin la consideración de aportes de cortante Al igual que en los elementos tipo cercha y vigas, Para facilitar las operaciones matriciales se trabajaran los grados de libertad en coordenadas locales del elemento como se aprecia en las figuras 1.1.3-c y 1.1.3-d. Figura 1.1.3-c. Elemento tipo pórtico representado numéricamente X1 Z1 Y1 X2 Z2 Y2 0 0 0 0 X1 0 0 Z1 0 0 Y1 0 0 0 0 X2 0 0 Z2 0 0 Y2 =[k] - - - - - - - - 15 Análisis de estructuras por el Método de la rigidez e introducción a los elementos finitos Figura 1.1.3-d. Matriz de rigidez de un elemento tipo pórtico sin la consideración de aportes de cortante representada numéricamente 1.2 Matriz de transformación de coordenadas La matriz de rigidez de toda la estructura será en las coordenadas globales establecidas X, Y y Z, por lo tanto es necesario rotar el sistema coordenado local de cada elemento al global. Para este fin, se dará uso de la matriz de transformación de coordenadas obtenida de la figura 1.2-a. Figura 1.2-a. Rotación del sistema coordenado local a global 1 2 3 4 5 6 0 0 0 0 1 0 0 2 0 0 3 0 0 0 0 4 0 0 5 0 0 6 [k] = - - - - - - - - Tx= Tx’cos Ɵ – Tz’sen Ɵ Tz= Tx’sen Ɵ + Tz’cos Ɵ 16 Análisis de estructuras por el Método de la rigidez e introducción a los elementos finitos Matricialmente se obtiene Dado que el ángulo de giro alrededor del eje Y no se ve afectado por la rotación del sistema, se concierne que el giro del eje local coincide con el global, de esta manera se afecta la matriz de rotación con esta nueva identidad (caso elemento de pórticos). Despejando en coordenadas locales, resulta Tx cosƟ -senƟ Tx' Tz senƟ cosƟ Tz' = Tx cosƟ -senƟ 0 Tx' Tz senƟ cosƟ 0 Tz' ɸ 0 0 1 ɸ = Tx' cosƟ -senƟ 0 Tx Tz' senƟ cosƟ 0 Tz ɸ 0 0 1 ɸ = -1 17 Análisis de estructuras por el Método de la rigidez e introducción a los elementos finitos Se obtiene entones la matriz de rotación del sistema Locales Matriz de rotación Globales Matriz de rotación Por lo tanto, la matriz de rotación con los 6 grados de libertad para un elemento tipo pórtico mostrado en la Figura 1.1.3-a. será: Figura 1.2-b. Matriz de transformación de coordenadas para un elemento tipo pórtico Tx' cosƟ senƟ 0 Tx Tz' -senƟ cosƟ 0 Tz ɸ 0 0 1 ɸ = Tx1' cosƟ senƟ 0 0 0 0 Tx1 Tz1' -senƟ cosƟ 0 0 0 0 Tz1 ɸ1' 0 0 1 0 0 0 ɸ1 Tx2' 0 0 0 cosƟ senƟ 0 Tx2 Tz2' 0 0 0 -senƟ cosƟ 0 Tz2 ɸ2' 0 0 0 0 0 1 ɸ2 = * 18 Análisis de estructuras por el Método de la rigidez e introducción a los elementos finitos La matriz de rotación para un elemento tipo cercha será el presentado en la figura 1.2-c. Figura 1.2-c. Matriz de transformación de coordenadas para un elemento tipo cercha Para los elementos tipo viga la matriz de rigidezlocal coincidirá siempre con la global ya que este tipo de elementos por lo general no tienen inclinación, es decir el ángulo será igual a 0 por lo tanto no será necesario aplicar la matriz de transformación de coordenadas. 1.3 Matriz de rigidez global de los elementos La matriz de rigidez global de un elemento está dada por: K global= [T’]*[K local]*[T] Dónde: [T]: es la matriz de rotación del sistema [T’]: es la transpuesta de T [k local ]: es la matriz de rigidez local del elemento en estudio. Tx1' cosƟ senƟ 0 0 Tx1 Tz1' -senƟ cosƟ 0 0 Tz1 Tx2' 0 0 cosƟ senƟ Tx2 Tz2' 0 0 -senƟ cosƟ Tz2 = * 19 Análisis de estructuras por el Método de la rigidez e introducción a los elementos finitos Capítulo 2 CERCHAS 2.1 Ejercicio 1. Cercha asimétrica con elementos inclinados Para la cercha mostrada en la figura 2.1-a. Determine el desplazamiento horizontal y vertical en el punto D y la fuerza interna del elemento AC, Considere A=1 cm2 y E=200 000 MPa. Figura 2.1-a. Resolución: Propiedades de los elementos A=0,0001 m2 E=200 000 000 kPa 20 Análisis de estructuras por el Método de la rigidez e introducción a los elementos finitos Numeración de los grados de libertad y elementos de la cercha La numeración de los grados de libertad en una estructura será arbitraria, pero los que estén asociados a las restricciones cinemáticas (reacciones), deberán estar agrupados preferiblemente al inicio o al final de la numeración para facilitar el desarrollo de las operaciones matriciales. Figura 2.1-b. Numeración de los grados de libertad y elementos de la cercha 21 Análisis de estructuras por el Método de la rigidez e introducción a los elementos finitos Resumen de las propiedades de los elementos de la cercha Nota: los ángulos son medidos desde el eje global x positivo hasta el eje local longitudinal positivo del elemento (anti horario). Matriz de rigidez local y global de los elementos de la cercha La matriz de rigidez local de un elemento cercha expresando sus grados de libertad numéricamente como se expresó en capítulo 1, está dada por Área (m2) L (m) ángulo Elemento 1 0,00010 2,83 135° Elemento 2 0,00010 2,24 63,43° Elemento 3 0,00010 4,47 116,56° Elemento 4 0,00010 2,00 90° Elemento 5 0,00010 4,12 75,96° 1 2 3 4 0 0 1 0 0 0 0 2 0 0 3 0 0 0 0 4 1 2 3 4 [ k ] = - - 22 Análisis de estructuras por el Método de la rigidez e introducción a los elementos finitos Donde A: es el área de la sección transversal del elemento E: módulo de elasticidad del elemento L: longitud del elemento Remplazando los valores de área, longitud y módulo de elasticidad de los elementos se obtiene la matriz de rigidez local de los elementos. Elemento 1 Angulo de rotación 135° (2,36 rad). 𝐀𝐄 𝐋 = 𝟎, 𝟎𝟎𝟎𝟏𝟎 ∗ 𝟐𝟎𝟎 𝟎𝟎𝟎 𝟎𝟎𝟎 𝟐, 𝟖𝟑 𝐀𝐄 𝐋 = 𝟕𝟎𝟕𝟐 , 𝟏𝟑𝟓 𝐤𝐍/𝐦 Asociando la rigidez a axial (EA/L) en kN/m a la Matriz de rigidez en coordenadas locales presentada en la figura 1.1.1-d resulta: E= 200000000 kpas L= 2,83 m A= 1,0 cm2 A= 0,0001 m2 Ѳ= 135,00 ° Ѳ= 2,36 rad 23 Análisis de estructuras por el Método de la rigidez e introducción a los elementos finitos La numeración representa los grados de libertad locales descritas en el primer capítulo, Para un Angulo de rotación de 135° medido desde el eje global X positivo al eje longitudinal del elemento (antihorario) y sustituyéndolo en la matriz de transformación de coordenadas para un elemento cercha, se obtiene Se obtiene Realizando la operación matricialmente K global = [T’]*[K local]*[T] se obtiene la matriz de rigidez global del elemento (girado los 135°), la numeración hace correspondencia con los grados de libertad globales mostrados en la Figura 2.1-b,” ya que el elemento fue girado”. 1 2 3 4 7072,14 0 -7072,14 0 1 0 0 0 0 2 -7072,14 0 7072,14 0 3 0 0 0 0 4 [ k1 ] = cosƟ senƟ 0 0 -senƟ cosƟ 0 0 0 0 cosƟ senƟ 0 0 -senƟ cosƟ =[ T ] -0,71 0,71 0 0 -0,71 -0,71 0 0 0 0 -0,71 0,71 0 0 -0,71 -0,71 [ T ] = 24 Análisis de estructuras por el Método de la rigidez e introducción a los elementos finitos En la siguiente ilustracion se puede apreciar la correspondencia de los grados de ibertad locales y globales, por que los grados de libertad 3 y 4 permanecen igules en la matriz global y la forma en que opera la matriz de rotación del sistema resuelta en el primer capítulo. Matriz de rigidez global del elemento 1 en kN/m resulta Locales 1 2 3 4 Globales 5 6 3 4 3536,07 -3536,07 -3536,07 3536,07 5 1 -3536,07 3536,07 3536,07 -3536,07 6 2 -3536,07 3536,07 3536,07 -3536,07 3 3 3536,07 -3536,07 -3536,07 3536,07 4 4 G lo b a le s L o c a le s [T'][k][T] = 25 Análisis de estructuras por el Método de la rigidez e introducción a los elementos finitos Elemento 2 Angulo de rotación 63,43° (2,36 rad). Matriz de rigidez en coordenadas locales kN/m será Matriz de rotación para 63,43° E= 200000000 kpas L= 2,24 m A= 1,0 cm2 A= 0,0001 m2 Ѳ= 63,43 ° Ѳ= 1,11 rad 1 2 3 4 8944,54 0,00 -8944,54 0,0 1 0,00 0,00 0,00 0,0 2 -8944,54 0,00 8944,54 0,0 3 0,0 0,0 0,0 0,0 4 [ k2 ] = 0,447 0,894 0,0 0,0 -0,894 0,447 0,0 0,0 0,0 0,0 0,447 0,894 0,0 0,0 -0,894 0,447 [ T ] = 26 Análisis de estructuras por el Método de la rigidez e introducción a los elementos finitos Matriz de rigidez global del elemento 2: K global= [T’]*[K local]*[T] Elemento 3 Angulo de rotación 116,56° (2,03 rad). Matriz de rigidez con coordenadas locales en kN/m 5 6 1 2 1789,53 3578,28 -1789,53 -3578,28 5 3578,28 7155,02 -3578,28 -7155,02 6 -1789,53 -3578,28 1789,53 3578,28 1 -3578,28 -7155,02 3578,28 7155,02 2 [K2] = E= 200000000 kpas L= 4,47 m A= 1,0 cm2 A= 0,0001 m2 Ѳ= 116,56 ° Ѳ= 2,03 rad 1 2 3 4 4472,27 0,00 -4472,27 0,00 1 0,00 0,00 0,00 0,00 2 -4472,27 0,00 4472,27 0,00 3 0,00 0,00 0,00 0,00 4 [ k3 ] = 27 Análisis de estructuras por el Método de la rigidez e introducción a los elementos finitos Matriz de rotación para 116,56° Matriz de rigidez global del elemento 3 en kN/m Elemento 4 Angulo de rotación 90° (1,57 rad). -0,447 0,894 0,0 0,0 -0,894 -0,447 0,0 0,0 0,0 0,0 -0,447 0,894 0,0 0,0 -0,894 -0,447 [ T ] = 7 8 3 4 894,14 -1788,67 -894,14 1788,67 7 -1788,67 3578,13 1788,67 -3578,13 8 -894,14 1788,67 894,14 -1788,67 3 1788,67 -3578,13 -1788,67 3578,13 4 [K3] = E= 200000000 kpas L= 2,00 m A= 1,0 cm2 A= 0,0001 m2 Ѳ= 90,00 ° Ѳ= 1,57 rad 28 Análisis de estructuras por el Método de la rigidez e introducción a los elementos finitos Matriz de rigidez local en kN/m Matriz de rotación para 90° Matriz de rigidez en coordenadas globales del elemento 4 en kN/m 1 2 3 4 10000,00 0 -10000,00 0 1 0 0 0 0 2 -10000,00 0 10000,00 0 3 0 0 0 0 4 [ k4 ] = 0,0 1,0 0,0 0,0 -1,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 1,0 0,0 0,0 -1,0 0,0 [ T ] = 7 8 5 6 0,0 0,0 0,0 0,0 7 0,0 10000,0 0,0 -10000,0 8 0,0 0,0 0,0 0,0 5 0,0 -10000,0 0,0 10000,0 6 [ K4 ] = 29 Análisis de estructuras por el Método de la rigidez e introducción a los elementos finitos Elemento 5 Angulo de rotación 75,96° (1,33 rad). Matriz de rigidez local en kN/m Matriz de rotación para 75,96° E= 200000000 kpas L= 4,12 m A= 1,0 cm2 A= 0,0001 m2 Ѳ= 75,96 ° Ѳ= 1,33 rad 1 2 3 4 4850,84 0,00 -4850,84 0,00 1 0,00 0,00 0,00 0,00 2 -4850,84 0,00 4850,84 0,00 3 0,00 0,00 0,00 0,00 4 [ k5 ] = 0,243 0,970 0,0 0,0 -0,970 0,243 0,0 0,0 0,0 0,0 0,243 0,970 0,0 0,0 -0,970 0,243 [ T ] = 30Análisis de estructuras por el Método de la rigidez e introducción a los elementos finitos Matriz de rigidez en coordenadas globales del elemento 5 en kN/m Matriz de rigidez de la cercha Para obtener la matriz de rigidez de toda la estructura, se tendrá en cuenta que la rigidez concentrada en un nodo es la suma de las contribuciones de la rigidez de todos los elementos estructurales conectados a tal nodo, por lo tanto se suma la rigidez que aporta cada elemento de su matriz de rigidez global, al final esta será cuadrada y simétrica del tamaño de los grados de libertad establecidos en la numeración de la estructura, es decir matriz de K8x8. Ejemplo: K1,2= (K1,2) e1 + K1,2 e2 + K1,2 e3 + K1,2 e4 + K1,2 e5 K1,2= (0,0) + (3578) + (0,0) + (0,0) + (1141) K1,2= 4720 kN/m K 8, 5= K 8, 5 e1 + K 8, 5 e2 + K 8, 5 e3 + K 8, 5 e4 + K 8, 5 e5 K 8, 5= 0,00 + 0,00 + 0,00 + 0,00 + 0,00 K 8, 5= 0,00 kN/m K 8, 7= K 8, 7 e1 + K 8, 7 e2 + K 8, 7 e3 + K 8, 7 e4 + K 8, 7 e5 K 8, 7= 0,00 + 0,00 + (-1788,67) + (0,00) + 1141,43 K 8, 7= -647,24 kN/m 7 8 1 2 285,37 1141,43 -285,37 -1141,43 7 1141,43 4565,46 -1141,43 -4565,46 8 -285,37 -1141,43 285,37 1141,43 1 -1141,43 -4565,46 1141,43 4565,46 2 [ K5 ] = 31 Análisis de estructuras por el Método de la rigidez e introducción a los elementos finitos De esta manera se suman todas las rigideces que aportan cada elemento y se ensambla la matriz de rigidez de toda la estructura. Matriz de rigidez global de la cercha Los grados de libertad entre 1 y 4, están asociados a las fuerzas desconocidas de la cercha y sus desplazamientos serán 0, la matriz esta en unidades de kN/m. Vector de fuerzas actuantes en la cercha (F) en kN 1 2 3 4 5 6 7 8 2074,9 4719,7 0,0 0,0 -1789,5 -3578,3 -285,4 -1141,4 1 4719,7 11720,5 0,0 0,0 -3578,3 -7155,0 -1141,4 -4565,5 2 0,0 0,0 4430,2 -5324,7 -3536,1 3536,1 -894,1 1788,7 3 0,0 0,0 -5324,7 7114,2 3536,1 -3536,1 1788,7 -3578,1 4 -1789,5 -3578,3 -3536,1 3536,1 5325,6 42,2 0,0 0,0 5 -3578,3 -7155,0 3536,1 -3536,1 42,2 20691,1 0,0 -10000,0 6 -285,4 -1141,4 -894,1 1788,7 0,0 0,0 1179,5 -647,2 7 -1141,4 -4565,5 1788,7 -3578,1 0,0 -10000,0 -647,2 18143,6 8 [ Ke ] = gdl fuerzas 1 Bx 2 By 3 Ax 4 Ay 5 0 6 0 7 0 8 -90 Solo en el grado de libertad 8 existe una fuerza externa, por lo tanto los otros grados de libertad donde se presentaran desplazamiento no hay fuerzas externas, las fuerzas Bx, By, Ax y Ay son desconocidas, y corresponden a las reacciones. Fuerzas Desconocidas (Reacciones) Fuerzas Conocidas 32 Análisis de estructuras por el Método de la rigidez e introducción a los elementos finitos Vector de desplazamientos Se sabe que La rigidez (K) está dada por: 𝑲 = 𝐅 𝐔 La matriz de rigidez global de la cercha está estructurada como se muestra en la figura 2.1-c, conforme a la distribución de los grados de libertad establecidos en la discretización Representado la ecuación F=K*U con los esquemas matriciales del ejercicio resulta Figura 2.1-c. Representación general de la matriz de rigidez global de la estructura Fuerzas Desplazamientos F desconocidas Ktt Kt0 0 F conocidas K0t K00 U = Rigidez gdl fuerzas 1 2 3 4 5 6 7 8 [U] 1 Bx 2074,9 4719,7 0,0 0,0 -1789,5 -3578,3 -285,4 -1141,4 1 0,0 1 2 By 4719,7 11720,5 0,0 0,0 -3578,3 -7155,0 -1141,4 -4565,5 2 0,0 2 3 Ax 0,0 0,0 4430,2 -5324,7 -3536,1 3536,1 -894,1 1788,7 3 0,0 3 4 Ay 0,0 0,0 -5324,7 7114,2 3536,1 -3536,1 1788,7 -3578,1 4 0,0 4 5 0 -1789,5 -3578,3 -3536,1 3536,1 5325,6 42,2 0,0 0,0 5 U5 5 6 0 -3578,3 -7155,0 3536,1 -3536,1 42,2 20691,1 0,0 -10000,0 6 U6 6 7 0 -285,4 -1141,4 -894,1 1788,7 0,0 0,0 1179,5 -647,2 7 U7 7 8 -90 -1141,4 -4565,5 1788,7 -3578,1 0,0 -10000,0 -647,2 18143,6 8 U8 8 = x Donde F es la carga y U el desplazamiento elástico que produce dicha carga. Ktt Kt0 K0t K00 Uc Ud Fd Fc 33 Análisis de estructuras por el Método de la rigidez e introducción a los elementos finitos Resolviendo la matriz, se obtiene Fd = [Ktt] [Uc] + [Kto] [Ud] Fd= [Kto][Ud] ecu. 1 FC = [K0t] [0] + [K00][Ud] FC= [K00][Ud] ecu. 2 Despejando los desplazamientos desconocidos (Ud) de la ecuación 2, Se obtiene: [Ud] = [K00] -1[FC] (Desplazamientos para las fuerzas conocidas) Y las fuerzas desconocidas (Reacciones) serán la aplicación de la ecuación 1 [Fd]= [Kt0] [Ud] (Reacciones de la estructura) Se sustrae la sub matriz de rigidez donde están asociadas las fuerzas conocidas (K00) para calcular los desplazamientos que estas producen en la cercha aplicando la ecuación anterior. 5 6 7 8 5325,59 42,21 0,00 0,00 5 42,21 20691,08 0,00 -10000,00 6 0,00 0,00 1179,51 -647,24 7 0,00 -10000,00 -647,24 18143,60 8 [K00]= 0 0 34 Análisis de estructuras por el Método de la rigidez e introducción a los elementos finitos Obteniendo la inversa de la matriz Kc: Los desplazamientos generados por las fuerzas externas aplicadas sobre la cercha serán: [U]= [K00] -1 [P] Resolviendo matricialmente se obtiene: U5= 0,0000266 m U6= -0,0033575 m U7= -0,0038120 m U8= -0,0069469 m 5 6 7 8 0,00018778 -0,00000053 -0,00000016 -0,00000030 5 -0,00000053 0,00006636 0,00002047 0,00003731 6 -0,00000016 0,00002047 0,00087105 0,00004236 7 -0,00000030 0,00003731 0,00004236 0,00007719 8 [K00] -1 = 5 6 7 8 Fc gdl 0,00018778 -0,00000053 -0,00000016 -0,00000030 0 5 -0,00000053 0,00006636 0,00002047 0,00003731 0 6 -0,00000016 0,00002047 0,00087105 0,00004236 0 7 -0,00000030 0,00003731 0,00004236 0,00007719 -90 8 [U]= X El desplazamiento horizontal y vertical en el Nodo D será: U7=-0,0038120 m ≈ 3,81 mm H ◄ U8=-0,0069469 m ≈ 6,947 mm V ▼ 35 Análisis de estructuras por el Método de la rigidez e introducción a los elementos finitos Figura 2.1-c. Deformada de la cercha debido a la aplicación de la carga de 90 kN en el nodo D. Fuerza interna del elemento AC Se sustraen los desplazamientos globales del elemento AC (elemento 1) teniendo en cuenta el número correspondiente a cada grado de libertad. U5= 0,00002661 m U6= -0,00335751 m U3= 0 U4= 0 36 Análisis de estructuras por el Método de la rigidez e introducción a los elementos finitos Es necesario conocer los desplazamientos locales del elemento para determinar su fuerza axial interna, así como establecer si el elemento está sometido a esfuerzos de tracción o compresión, para lo anterior se multiplica matricialmente la matriz de rotación del elemento por los desplazamientos globales calculados, de esta manera se obtiene [U Locales]= [T]*[U Globales] Donde la matriz de rotación “T” es Se establece la operación matricial u1= -0,002393 m u2= 0,002355 m u3= 0,00000 m u4= 0,00000 m Para obtener la fuerza axial interna del elemento se parte de la hipótesis principal del método, donde la rigidez es igual a una fuerza F sobre el desplazamiento elástico que esta produce. cosƟ senƟ 0 0 -senƟ cosƟ 0 0 0 0 cosƟ senƟ 0 0 -senƟ cosƟ =[ T ] Ug gdl -0,707 0,707 0,000 0,000 0,000027 5 -0,707 -0,707 0,000 0,000 -0,003358 6 0,000 0,000 -0,707 0,707 0,000000 3 0,000 0,000 -0,707 -0,707 0,000000 4 [U] = X Estos son los desplazamientos locales del elemento 1. 37 Análisis de estructuras por el Método de la rigidez e introducción a los elementos finitos 𝐾 = F U F = [K local]* [U local] (elemento 1). Se obtiene Resolviendo matricialmente se obtiene la fuerza interna del elemento: Bx= -16,92 kN By= 0 kN Ax= 16,92 kN Ay= 0 kN Teniendoen cuenta que los valores obtenidos anteriormente corresponden a la fuerza interna del elemento en sus coordenadas locales se determina el tipo de esfuerzo al que está sometido el elemento, en este caso son de tensión, ya que f1 es negativo es decir actúa en dirección contraria a la supuesta inicialmente, mientras que f3 es positiva como se observa en la figura 2.1-d, como se esperaba las fuerzas f2 y f4 serán cero porque es la funcionalidad de este tipo de elementos. Figura 2.1-d Fuerza axial del elemento será 16,92 kN (Tensión) UL gdl 7072,14 0,00 -7072,14 0,00 -0,002393 1 0,00 0,00 0,00 0,00 0,002355 2 -7072,14 0,00 7072,14 0,00 0,000000 3 0,00 0,00 0,00 0,00 0,000000 4 [f]= X 38 Análisis de estructuras por el Método de la rigidez e introducción a los elementos finitos 2.2 Ejercicio 2. Cercha rectangular con elementos inclinados Para la cercha mostrada en la figura 2.2-a. Determine el desplazamiento vertical en el nudo C y la fuerza interna del elemento BF, Considere A=1.27 cm2 y E=200 000 MPa. Figura. 2.2-a Resolución: Propiedades de los elementos A=0,000127 m2 E=200 000 000 kPa 39 Análisis de estructuras por el Método de la rigidez e introducción a los elementos finitos Numeración de los grados de libertad y elementos de la cercha Figura 2.1-b. Numeración de los grados de libertad y elementos de la cercha Resumen de las propiedades de los elementos de la cercha Nota: los ángulos son medidos desde el eje global x positivo al eje longitudinal del elemento. Area (m2) L (m) Angulo Elemento 1 0,000127 1,20 90 Elemento 2 0,000127 1,44 56,309 Elemento 3 0,000127 1,20 90 Elemento 4 0,000127 1,56 50,194 Elemento 5 0,000127 1,20 90 Elemento 6 0,000127 0,80 0 Elemento 7 0,000127 1,00 0 Elemento 8 0,000127 0,80 0 Elemento 9 0,000127 1,00 0 40 Análisis de estructuras por el Método de la rigidez e introducción a los elementos finitos Matriz de rigidez local y global de los elementos de la cercha Elemento 1 Angulo de rotación 90° (1,57 rad). 𝐀𝐄 𝐋 = 𝟎, 𝟎𝟎𝟎𝟏𝟐𝟕 ∗ 𝟐𝟎𝟎 𝟎𝟎𝟎 𝟎𝟎𝟎 𝟏, 𝟐 Por lo tanto la rigidez axial del elemento 1 será: 𝐀𝐄 𝐋 = 𝟐𝟏 𝟏𝟔𝟔, 𝟔𝟕 𝐤𝐍/𝐦 Sustituyendo el valor en la Matriz de rigidez local en kN/m se obtiene E= 200000000 kpas L= 1,20 m A= 1,270 cm2 A= 0,0001270 m2 Ѳ= 90,00 ° Ѳ= 1,57 rad 1 2 3 4 21166,67 0,00 -21166,67 0,0 1 0,00 0,00 0,00 0,0 2 -21166,67 0,00 21166,67 0,0 3 0,0 0,0 0,0 0,0 4 [ k1 ]= 41 Análisis de estructuras por el Método de la rigidez e introducción a los elementos finitos Matriz de rotación del elemento: Angulo de rotación 90° (1,57 rad). Matriz de rigidez global del elemento en kN/m Elemento 2 Angulo de rotación 56,309° (0,98 rad). 0,000 1,000 0,000 0,000 -1,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 1,000 0,000 0,000 -1,000 0,000 [ T ] = 1 2 3 4 0,00 0,00 0,00 0,00 1 0,00 21166,67 0,00 -21166,67 2 0,00 0,00 0,00 0,00 3 0,00 -21166,67 0,00 21166,67 4 [ K1 ]= E= 200000000 kpas L= 1,4420 m A= 1,270 cm2 A= 0,0001270 m2 Ѳ= 56,309 ° Ѳ= 0,98 rad 42 Análisis de estructuras por el Método de la rigidez e introducción a los elementos finitos Matriz de rigidez local en kN/m Matriz de rotación del elemento: Angulo de rotación 56,309° (0,98 rad). Matriz de rigidez global del elemento en kN/m 1 2 3 4 17614,42 0,00 -17614,42 0,0 1 0,00 0,00 0,00 0,0 2 -17614,42 0,00 17614,42 0,0 3 0,0 0,0 0,0 0,0 4 [ k2] = 0,555 0,832 0,000 0,000 -0,832 0,555 0,000 0,000 0,000 0,000 0,555 0,832 0,000 0,000 -0,832 0,555 [ T ] = 1 2 5 6 5420,09 8129,84 -5420,09 -8129,84 1 8129,84 12194,34 -8129,84 -12194,34 2 -5420,09 -8129,84 5420,09 8129,84 5 -8129,84 -12194,34 8129,84 12194,34 6 [ K2] = 43 Análisis de estructuras por el Método de la rigidez e introducción a los elementos finitos Elemento 3 Angulo de rotación 90° (1,57rad). Matriz de rigidez local del elemento en kN/m Matriz de rotación del elemento para 90° E= 200000000 kpas L= 1,2000 m A= 1,270 cm2 A= 0,0001270 m2 Ѳ= 90,000 ° Ѳ= 1,57 rad 1 2 3 4 21166,67 0,00 -21166,67 0,0 1 0,00 0,00 0,00 0,0 2 -21166,67 0,00 21166,67 0,0 3 0,0 0,0 0,0 0,0 4 [ k3 ] = 0,0 1,0 0,0 0,0 -1,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 1,0 0,0 0,0 -1,0 0,0 [ T ] = 44 Análisis de estructuras por el Método de la rigidez e introducción a los elementos finitos Matriz de rigidez global del elemento en kN/m Elemento 4 Angulo de rotación 50,19° (0,88 rad). Matriz de rigidez local del elemento en kN/m 11 12 5 6 0,00 0,00 0,00 0,00 11 0,00 21166,67 0,00 -21166,67 12 0,00 0,00 0,00 0,00 5 0,00 -21166,67 0,00 21166,67 6 [ K3 ] = E= 200000000 kpas L= 1,5620 m A= 1,270 cm2 A= 0,0001270 m2 Ѳ= 50,194 ° Ѳ= 0,88 rad 1 2 3 4 16261,20 0,00 -16261,20 0,0 1 0,00 0,00 0,00 0,0 2 -16261,20 0,00 16261,20 0,0 3 0,0 0,0 0,0 0,0 4 [ k4] = 45 Análisis de estructuras por el Método de la rigidez e introducción a los elementos finitos Matriz de rotación del elemento a 50,19° Matriz de rigidez global en kN/m Elemento 5 Angulo de rotación 90° (1,57 rad). 0,640 0,768 0,000 0,000 -0,768 0,640 0,000 0,000 0,000 0,000 0,640 0,768 0,000 0,000 -0,768 0,640 [ T ] = 11 12 7 8 6664,55 7997,34 -6664,55 -7997,34 11 7997,34 9596,66 -7997,34 -9596,66 12 -6664,55 -7997,34 6664,55 7997,34 7 -7997,34 -9596,66 7997,34 9596,66 8 [ K4] = E= 200000000 kpas L= 1,2000 m A= 1,270 cm2 A= 0,0001270 m2 Ѳ= 90,000 ° Ѳ= 1,57 rad 46 Análisis de estructuras por el Método de la rigidez e introducción a los elementos finitos Matriz de rigidez local en kN/m Matriz de rotación del elemento a 90° Matriz de rigidez global del elemento en kN/m 1 2 3 4 21166,67 0,00 -21166,67 0,0 1 0,00 0,00 0,00 0,0 2 -21166,67 0,00 21166,67 0,0 3 0,0 0,0 0,0 0,0 4 [ k5 ] = 0,0 1,0 0,0 0,0 -1,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 1,0 0,0 0,0 -1,0 0,0 [ T ] = 9 10 7 8 0,0 0,0 0,0 0,0 9 0,0 21166,7 0,0 -21166,7 10 0,0 0,0 0,0 0,0 7 0,0 -21166,7 0,0 21166,7 8 [ K5 ] = 47 Análisis de estructuras por el Método de la rigidez e introducción a los elementos finitos Elemento 6 Angulo de rotación 0° (0 rad). Matriz de rigidez local en kN/m Matriz de rotación; como no hay rotación del elemento la matriz de rotación tendrá solo el valor de uno en su diagonal (matriz identidad), multiplicando matricialmente por la matriz de rigidez local del elemento se obtendrá la misma matriz de rigidez local. E= 200000000 kpas L= 0,8000 m A= 1,270 cm2 A= 0,0001270 m2 Ѳ= 0,000 ° Ѳ= 0,00 rad 1 2 3 4 31750,00 0,00 -31750,00 0,0 1 0,00 0,00 0,00 0,0 2 -31750,00 0,00 31750,00 0,0 3 0,0 0,0 0,0 0,0 4 [ k6 ] = 1,0 0,0 0,0 0,0 0,0 1,0 0,0 0,0 0,0 0,0 1,0 0,0 0,0 0,0 0,0 1,0 [ T ] = 48 Análisis de estructuras por el Método de la rigidez e introducción a los elementos finitos Matriz de rigidez global del elemento en kN/m Elemento 7 Angulo de rotación 0° (0 rad). Matriz de rigidez local en kN/m 3 4 5 6 31750,00 0,00 -31750,00 0,00 3 0,00 0,00 0,00 0,00 4 -31750,00 0,00 31750,00 0,00 5 0,00 0,00 0,00 0,00 6 [ K6 ] = E= 200000000 kpas L= 1,0000 m A= 1,270 cm2 A= 0,0001270 m2 Ѳ= 0,000 ° Ѳ= 0,00 rad 1 2 3 4 25400,00 0,00 -25400,00 0,0 1 0,00 0,00 0,00 0,0 2 -25400,00 0,00 25400,00 0,0 3 0,0 0,0 0,0 0,0 4 [ k7 ] = 49 Análisis de estructuras por el Método de la rigidez e introducción a los elementos finitos Matriz de rotación del elemento para 0° Matriz de rigidez global del elemento en kN/m Elemento 8 Angulo de rotación 0° (0 rad). 1,000 0,000 0,000 0,000 0,000 1,000 0,000 0,000 0,000 0,000 1,000 0,0000,000 0,000 0,000 1,000 [ T ] = 5 6 7 8 25400,00 0,00 -25400,00 0,00 5 0,00 0,00 0,00 0,00 6 -25400,00 0,00 25400,00 0,00 7 0,00 0,00 0,00 0,00 8 [ K7 ] = E= 200000000 kpas L= 0,8000 m A= 1,270 cm2 A= 0,0001270 m2 Ѳ= 0,000 ° Ѳ= 0,00 rad 50 Análisis de estructuras por el Método de la rigidez e introducción a los elementos finitos Matriz de rigidez local en kN/m Matriz de rotación del elemento para 0° Matriz de rigidez global en kN/m 1 2 3 4 31750,00 0,00 -31750,00 0,0 1 0,00 0,00 0,00 0,0 2 -31750,00 0,00 31750,00 0,0 3 0,0 0,0 0,0 0,0 4 [ k8 ] = 1,0 0,0 0,0 0,0 0,0 1,0 0,0 0,0 0,0 0,0 1,0 0,0 0,0 0,0 0,0 1,0 [ T ] = 1 2 11 12 31750,00 0,00 -31750,00 0,00 1 0,00 0,00 0,00 0,00 2 -31750,00 0,00 31750,00 0,00 11 0,00 0,00 0,00 0,00 12 [ K8 ] = 51 Análisis de estructuras por el Método de la rigidez e introducción a los elementos finitos Elemento 9 Angulo de rotación 0° (0 rad). Matriz de rigidez local en kN/m Matriz de rotación para 0° E= 200000000 kpas L= 1,0000 m A= 1,270 cm2 A= 0,0001270 m2 Ѳ= 0,000 ° Ѳ= 0,00 rad 1 2 3 4 25400,0 0,0 -25400,0 0,0 1 0,0 0,0 0,0 0,0 2 -25400,0 0,0 25400,0 0,0 3 0,0 0,0 0,0 0,0 4 [ k9 ] = 1,000 0,000 0,000 0,000 0,000 1,000 0,000 0,000 0,000 0,000 1,000 0,000 0,000 0,000 0,000 1,000 [ T ] = 52 Análisis de estructuras por el Método de la rigidez e introducción a los elementos finitos Matriz de rigidez global en kN/m Matriz de rigidez global de la cercha (kN/m) La matriz de rigidez de toda la cercha o armadura, se ensambla de igual manera como efectuó para el ejercicio 1.1, sumando los aportes de rigidez global de cada elemento a los nodos de la misma. 11 12 9 10 25400,00 0,00 -25400,00 0,00 11 0,00 0,00 0,00 0,00 12 -25400,00 0,00 25400,00 0,00 9 0,00 0,00 0,00 0,00 10 [ K9 ] = 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 37170,1 8129,8 0,0 0,0 -5420,1 -8129,8 0,0 0,0 0,0 0,0 -31750,0 0,0 1 8129,8 33361,0 0,0 -21166,7 -8129,8 -12194,3 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 2 0,0 0,0 31750,0 0,0 -31750,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 3 0,0 -21166,7 0,0 21166,7 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 4 -5420,1 -8129,8 -31750,0 0,0 62570,1 8129,8 -25400,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 5 -8129,8 -12194,3 0,0 0,0 8129,8 33361,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 -21166,7 6 0,0 0,0 0,0 0,0 -25400,0 0,0 32064,5 7997,3 0,0 0,0 -6664,5 -7997,3 7 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 7997,3 30763,3 0,0 -21166,7 -7997,3 -9596,7 8 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 25400,0 0,0 -25400,0 0,0 9 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 -21166,7 0,0 21166,7 0,0 0,0 10 -31750,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 -6664,5 -7997,3 -25400,0 0,0 63814,5 7997,3 11 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 -21166,7 -7997,3 -9596,7 0,0 0,0 7997,3 30763,3 12 [KE]= 53 Análisis de estructuras por el Método de la rigidez e introducción a los elementos finitos Vector de fuerzas actuantes Vector de desplazamientos Para obtener los desplazamientos se aplica el procedimiento del ejercicio anterior, los cuales estarán dados por: [U]= [K00] -1 [FC] Fc: son fuerzas conocidas Se sustrae la sub matriz de rigidez (K00) que asocia las fuerzas externas conocidas y los desplazamientos desconocidos (ver figura 2.1-c del ejercicio 1.1). gdl Fuerzas 1 Ax 2 Ay 3 Bx 4 By 5 0 6 -15 7 0 8 -10 9 0 10 -15 11 0 12 0 El vector describe las fuerzas externas que actúan sobre la estructura y el grado de libertad asociado a esa fuerza, por ejemplo en el grado de libertad vertical No 8 actúa 10 kN, en la dirección de la gravedad, en nuestro sistema de referencia será negativo. 54 Análisis de estructuras por el Método de la rigidez e introducción a los elementos finitos Obteniendo la inversa de la matriz Kc: Los desplazamientos generados por las fuerzas actuantes en la estructura estarán dados por: [U]= [KOO] -1 [FC] 5 6 7 8 9 10 11 12 62570,09 8129,84 -25400,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 5 8129,84 33361,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 -21166,67 6 -25400,00 0,00 32064,55 7997,34 0,00 0,00 -6664,55 -7997,34 7 0,00 0,00 7997,34 30763,32 0,00 -21166,67 -7997,34 -9596,66 8 0,00 0,00 0,00 0,00 25400,00 0,00 -25400,00 0,00 9 0,00 0,00 0,00 -21166,67 0,00 21166,67 0,00 0,00 10 0,00 0,00 -6664,55 -7997,34 -25400,00 0,00 63814,55 7997,34 11 0,00 -21166,67 -7997,34 -9596,66 0,00 0,00 7997,34 30763,32 12 [K00]= 5 6 7 8 9 10 11 12 0,00003 -0,00002 0,00003 -0,00005 0,00000 -0,00005 0,00000 -0,00002 5 -0,00002 0,00010 -0,00002 0,00011 0,00000 0,00011 0,00000 0,00010 6 0,00003 -0,00002 0,00007 -0,00008 0,00000 -0,00008 0,00000 -0,00002 7 -0,00005 0,00011 -0,00008 0,00035 0,00003 0,00035 0,00003 0,00016 8 0,00000 0,00000 0,00000 0,00003 0,00007 0,00003 0,00003 0,00000 9 -0,00005 0,00011 -0,00008 0,00035 0,00003 0,00040 0,00003 0,00016 10 0,00000 0,00000 0,00000 0,00003 0,00003 0,00003 0,00003 0,00000 11 -0,00002 0,00010 -0,00002 0,00016 0,00000 0,00016 0,00000 0,00014 12 [KOO] -1= 5 6 7 8 9 10 11 12 Fc 0,000031 -0,000021 0,000031 -0,000047 0,000000 -0,000047 0,000000 -0,000021 5 0 5 -0,000021 0,000096 -0,000021 0,000114 0,000000 0,000114 0,000000 0,000096 6 -15 6 0,000031 -0,000021 0,000071 -0,000080 0,000000 -0,000080 0,000000 -0,000021 7 0 7 -0,000047 0,000114 -0,000080 0,000354 0,000026 0,000354 0,000026 0,000161 8 -10 8 0,000000 0,000000 0,000000 0,000026 0,000071 0,000026 0,000031 0,000000 9 0 9 -0,000047 0,000114 -0,000080 0,000354 0,000026 0,000401 0,000026 0,000161 10 -15 10 0,000000 0,000000 0,000000 0,000026 0,000031 0,000026 0,000031 0,000000 11 0 11 -0,000021 0,000096 -0,000021 0,000161 0,000000 0,000161 0,000000 0,000143 12 0 12 [ U ] = X 55 Análisis de estructuras por el Método de la rigidez e introducción a los elementos finitos U5= 0,001496 m U6= -0,004278 m U7= 0,002316 m U8= -0,010541 m U9= -0,000656 m U10= -0,011250 m U11= -0,000656 m U12= -0,005459 m Figura 2.2-c. Deformada de la cercha debido a las cargas Calculo de las reacciones de la cercha Las reacciones se calculan igual que el ejercicio anterior, si se conocen los desplazamientos, estos se multiplican matricialmente por la sub matriz de rigidez asociada a las fuerzas desconocidas (K0t) Fd= [Kt0]*[U] donde Fd son las fuerzas desconocidas (Reacciones) Aplicando la ecuación anterior, se obtiene El desplazamiento horizontal y vertical en el Nodo C será: U9= -0,000656 m ≈ 0,656 mm H ◄ U10= -0,0112 m ≈ 11,20 mm V ▼ 56 Análisis de estructuras por el Método de la rigidez e introducción a los elementos finitos Ax= 47,5 kN Ay= 40,0 kN Bx= -47,5 kN By= 0,0 kN Figura 2.2-d. Reacciones en los apoyos de la cercha [U] 0,001496 5 5 6 7 8 9 10 11 12 -0,00428 6 -5420,1 -8129,8 0,0 0,0 0,0 0,0 -31750,0 0,0 1 0,002316 7 -8129,8 -12194,3 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 2 -0,01054 8 -31750,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 3 -0,00066 9 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 4 -0,01125 10 -0,00066 11 -0,00546 12 8x1 X[F]= 4x8 57 Análisis de estructuras por el Método de la rigidez e introducción a los elementos finitos Fuerza axial del elemento BF Sustrayendo los desplazamientos globales del elemento BF (elemento 4) y teniendo en cuenta el número correspondiente a cada grado de libertad, se obtiene U11= -0,000656 m U12= -0,005459 m U7= 0,002316 m U8= -0,010541 m Se calculan los desplazamientos locales del elemento dando uso a la matriz de rotación para el ángulo de este elemento que es 50,19° (0,88 rad). [U local]= [T]*[U global] De esta manera se establece la operación matricial como sigue u1= -0,00461 m u2= -0,00299 m u3= -0,00661 m u4= -0,00853m U globales 0,640 0,768 0,000 0,000 -0,000656 -0,768 0,640 0,000 0,000 -0,005459 0,000 0,000 0,640 0,768 0,002316 0,000 0,000 -0,768 0,640 -0,010541 4 x 1 X[ u4 local] = 4 x 4 Estos son los desplazamientos locales del elemento 4. 58 Análisis de estructuras por el Método de la rigidez e introducción a los elementos finitos Para calcular la fuerza interna del elemento se multiplica matricialmente la matriz de rigidez local del elemento por sus desplazamientos locales respectivamente. 𝐾 = F U f = [K local]* [U local] Se obtiene la operación matricial Resolviendo matricialmente se obtiene la fuerza axial interna del elemento: f1= 32,54 kN f2= 0,0 f3= -32,54 kN f4= 0,00 Mediante la resolución de la fuerza interna del elemento se observa que está sometido a esfuerzos de compresión, como se observa en la figura 2.1-e. en cuanto a las fuerzas f2 y f3, serán cero puesto que se trata de una cercha y solo se considera el aporte axial como se mencionó en el capítulo 1 de presente texto. Figura 2.2-e 1 2 3 4 U locales 16261,20 0,00 -16261,20 0,00 1 -0,00461 1 0,00 0,00 0,00 0,00 2 -0,00299 2 -16261,20 0,00 16261,20 0,00 3 -0,00661 3 0,00 0,00 0,00 0,00 4 -0,00853 4 4 x 1 X[ f 4 ] = 4 x 4 59 Análisis de estructuras por el Método de la rigidez e introducción a los elementos finitos Capítulo 3 VIGAS 3.1 Ejercicio. Viga de tres luces con cargas puntual, continua y variable. Para la viga en concreto mostrada en la figura 3.1-a, encontrar las reacciones y el giro en el punto D, considere E= 20 GPa. Figura 3.1-a Resolución: Propiedades de la sección de la viga A=0,10 m2 Iy=0,001333 m 4 E=20 000 000 kPa 60 Análisis de estructuras por el Método de la rigidez e introducción a los elementos finitos Numeración de los grados de libertad y elementos de la viga Solo se tendrán en cuenta los grados de libertad verticales y giros ya que la viga estará sometida solo a fuerzas cortantes y flexión como se mencionó en el primer capítulo, como no existen cargas con componentes en la dirección X, la fuerza axial en cualquiera de los tres elementos será cero. La enumeración de los grados de libertad se realiza de manera que queden agrupados aquellos que no tienen restricción cinemática y los demás corresponderán a las reacciones de la viga, como se aprecia en la figura 3.1-b Figura 3.1-b Discretizacion de la viga Como se estableció en la discretización de la viga solo se estudiaran tres elementos conectados por sus nodos A, B, C y D, por lo tanto se llevaran las fuerzas equivalentes generadas por las distintas cargas sobre los elementos a cada nodo, para ello se asume la condición de empotramiento perfecto de los elementos y se calculan las reacciones para cada uno como se muestra en la figura 3.1-c. al final las fuerzas actuantes serán la suma de los efectos de las cargas de cada elemento teniendo en cuenta su dirección y magnitud, estas actuaran sobre la viga en el sentido contrario a la supuesta reacción. 61 Análisis de estructuras por el Método de la rigidez e introducción a los elementos finitos Figura 3.1-c Las fuerzas que actúan en los grados de libertad establecidos para el presente análisis son las que se presentan en la figura 3.1-d y 3.1-e, después de realizar la suma de los efectos debido a las cargas, y aplicación de la estática en el elemento 3 para obtener las reacciones verticales. Figura 3.1-d 62 Análisis de estructuras por el Método de la rigidez e introducción a los elementos finitos Figura 3.1-e. Fuerzas actuantes en los nodos de la viga De esta manera se obtienen las fuerzas actuantes sobre la viga, La dirección predominante de la carga corresponde a la de mayor magnitud, estas actúan en la dirección opuesta a reacción idealizada. Matriz de rigidez local y global de los elementos de la viga Para la obtención de la matriz de rigidez local de los elementos se sustituyen los valores de E, Iz y L en la matriz mostrada en el primer capítulo para vigas. Elemento 1 Angulo de rotación 0° (0,0 rad). L=5.0 m E= 20000,00 E= 20000000,000 kpas L= 5,00 m B 0,25 m H 0,40 m A= 0,1000000 I= 0,0013333 Ѳ= 0,00 ° 63 Análisis de estructuras por el Método de la rigidez e introducción a los elementos finitos 12EIy/L 3= 2560 kN/m 6EIy/L 2= 6400 kN/m 2EIy/L = 10666,67 kN/m 4EIy/L = 21333,33 kN/m Matriz de rigidez en coordenadas locales en kN/m Como los elementos de la viga están alineados horizontalmente no se presentaran rotaciones y no será necesario el uso de la matriz de transformación de coordenadas del sistema local a global ya que coinciden, siendo directamente la matriz de rigidez local la global, solo se agrega la correspondencia de los grados de libertad locales a los globales de la viga según el elemento. 1 2 3 4 2560,00 6400,00 -2560,00 6400,00 1 6400,00 21333,33 -6400,00 10666,67 2 -2560,00 -6400,00 2560,00 -6400,00 3 6400,00 10666,67 -6400,00 21333,33 4 [ k1 ] = 1 2 3 8 2560,00 6400,00 -2560,00 6400,00 1 6400,00 21333,33 -6400,00 10666,67 2 -2560,00 -6400,00 2560,00 -6400,00 3 6400,00 10666,67 -6400,00 21333,33 8 [ K1 ] = 64 Análisis de estructuras por el Método de la rigidez e introducción a los elementos finitos Elemento 2 Angulo de rotación 0° (0,0 rad). Matriz de rigidez en coordenadas locales en kN/m Al igual que el elemento 1, el No 2 está alineado horizontalmente por lo tanto no se presentaran rotaciones y no será necesario el uso de la matriz de transformación de coordenadas del sistema local a global ya que coinciden. Solo se realiza la correspondencia de los grados de libertad locales a los globales de la viga según el elemento. E= 20000,00 E= 20000000,000 kpas L= 4,50 m B 0,25 m H 0,40 m A= 0,1000000 I= 0,0013333 Ѳ= 0,00 ° 1 2 3 4 3511,66 7901,23 -3511,66 7901,23 1 7901,23 23703,70 -7901,23 11851,85 2 -3511,66 -7901,23 3511,66 -7901,23 3 7901,23 11851,85 -7901,23 23703,70 4 [ k2 ] = 65 Análisis de estructuras por el Método de la rigidez e introducción a los elementos finitos Matriz de rigidez en coordenadas globales Elemento 3 Angulo de rotación 0° (0,0 rad). 3 8 4 7 3511,66 7901,23 -3511,66 7901,23 3 7901,23 23703,70 -7901,23 11851,85 8 -3511,66 -7901,23 3511,66 -7901,23 4 7901,23 11851,85 -7901,23 23703,70 7 [ K2 ] = E= 20000000,0 kpas L= 5,50 m B 0,25 m H 0,40 m A= 0,1000000 I= 0,0013333 Ѳ= 0,00 ° 1 2 3 4 1923,37 5289,26 -1923,37 5289,26 1 5289,26 19393,94 -5289,26 9696,97 2 -1923,37 -5289,26 1923,37 -5289,26 3 5289,26 9696,97 -5289,26 19393,94 4 [ k3 ] = 66 Análisis de estructuras por el Método de la rigidez e introducción a los elementos finitos Matriz de rigidez en coordenadas locales en kN/m Matriz de rigidez en coordenadas globales Ensamble de la matriz de rigidez de la viga Ejemplo: K3,4= K3,4 elemento1 + K3,4 elemento2 + K3,4 elemento3 K3,4= (0,0) + (-3511,66) + (0,0) K3,4= - 3511,66 kN/m K8,3= K8,3 elemento1 + K8,3 elemento2 + K8,3 elemento3 K8,3= (-6400,00) + (7901,23) + (0,0) K8,3= 1501,23 kN/m 4 7 5 6 1923,37 5289,26 -1923,37 5289,26 4 5289,26 19393,94 -5289,26 9696,97 7 -1923,37 -5289,26 1923,37 -5289,26 5 5289,26 9696,97 -5289,26 19393,94 6 [ K3 ] = 4 7 5 6 1923,37 5289,26 -1923,37 5289,26 4 5289,26 19393,94 -5289,26 9696,97 7 -1923,37 -5289,26 1923,37 -5289,26 5 5289,26 9696,97 -5289,26 19393,94 6 [ K3 ] = 67 Análisis de estructuras por el Método de la rigidez e introducción a los elementos finitos Matriz de rigidez de la viga Los grados de libertad comprendidos entre 6 y 8 están asociadosa las fuerzas externas conocidas, mientras que los cinco primeros grados de libertad corresponden a las fuerzas desconocidas que son las reacciones de la viga. Vector de fuerzas A diferencia de los ejercicios anteriores, en este caso existen fuerzas que actúan en los nodos donde se presentaran las reacciones de la viga y que actúan en el sentido contrario a la misma reacción, por lo tanto afectara la magnitud final de cada una, como se observa en la figura 3.1-f. 1 2 3 4 5 6 7 8 2560,0 6400,0 -2560,0 0,0 0,0 0,0 0,0 6400,0 1 6400,0 21333,3 -6400,0 0,0 0,0 0,0 0,0 10666,7 2 -2560,0 -6400,0 6071,7 -3511,7 0,0 0,0 7901,2 1501,2 3 0,0 0,0 -3511,7 5435,0 -1923,4 5289,3 -2612,0 -7901,2 4 0,0 0,0 0,0 -1923,4 1923,4 -5289,3 -5289,3 0,0 5 0,0 0,0 0,0 5289,3 -5289,3 19393,9 9697,0 0,0 6 0,0 0,0 7901,2 -2612,0 -5289,3 9697,0 43097,6 11851,9 7 6400,0 10666,7 1501,2 -7901,2 0,0 0,0 11851,9 45037,0 8 [Kviga] = 68 Análisis de estructuras por el Método de la rigidez e introducción a los elementos finitos Figura 3.1-f Vector de fuerzas sobre la viga en kN gdl Fuerzas 1 Ay-17,5 2 Ma-21,875 3 By-51,25 4 Cy-50,250 5 Dy-38,50 6 30,25 7 5,1458333 8 -3,4375 69 Análisis de estructuras por el Método de la rigidez e introducción a los elementos finitos Vector de desplazamientos Se sabe que la rigidez (K) es la relación entre una fuerza y el desplazamiento elástico que produce. 𝐾 = F U [U]= [K]-1 [F] ecu 3. Se sustrae la sub matriz de rigidez asociadas a las fuerzas conocidas (K00) para calcular sus desplazamientos aplicando la ecuación No 3. Obteniendo la inversa de la matriz [K00], resulta 6 7 8 19393,9 9696,97 0 6 9696,97 43097,6 11851,9 7 0 11851,9 45037 8 [K00] = 6 7 8 0,000059 -0,000014 0,000004 6 -0,000014 0,000028 -0,000007 7 0,000004 -0,000007 0,000024 8 [K00] -1 = 70 Análisis de estructuras por el Método de la rigidez e introducción a los elementos finitos Los desplazamientos serán U6= 0,0016889 rad U7= -0,0002583 rad U8= -0,0000083 rad Reacciones en la base Las reacciones de la viga serán el producto de la sub matriz asociada al vector de fuerzas, con los desplazamientos calculados. [F]= [Kt0]*[U] 6 7 8 Fuerzas 0,000059 -0,000014 0,000004 6 30,25 6 -0,000014 0,000028 -0,000007 7 5,15 7 0,000004 -0,000007 0,000024 8 -3,44 8 3 x 1 X[U] = 3 x 3 6 7 8 0 0 6400 1 [U] 0 0 10667 2 0,0016889 U6 0 7901 1501 3 -0,0002583 U7 5289 -2612 -7901 4 -0,0000083 U8 -5289 -5289 0 5 3 x 1 5 x 3 X[F] = El giro en el punto D será: U8= 0,00169 rad 71 Análisis de estructuras por el Método de la rigidez e introducción a los elementos finitos Las fuerzas en la base serán: F1= -0,053 kN F2= -0,089 kN F3= -2,053 kN F4= 9,6738 kN F5= -7,5668 kN Por lo tanto las reacciones en la base se obtendrán como sigue -0,053=Ay-17,5 ; Ay= 17,447 kN -0,089=Ma-21,875 ; Ma= 21,786 kN.m -2,053=By-51,25 ; By= 49,197 kN 9,6738=Cy-50,250 ; Cy= 59,92 kN -7,566=Dy-38,50 ; Dy= 30,93 kN Figura 3.1-g. Reacciones de la viga 72 Análisis de estructuras por el Método de la rigidez e introducción a los elementos finitos 3.2 Ejercicio. Viga de dos luces y sección en voladizo Para la viga en acero cuya sección transversal es de tipo cajón como se aprecia en la figura 3.2-a, encontrar la carga (P) aplicada en el punto C para que el giro en B sea 0,5° en el sentido horario. Asumir Es=200.000 MPa Figura 3.2-a Resolución: Propiedades de la sección de la viga A=0,0104 m2 Iy=0,00004619 m 4 E=200 000 000 kPa Numeración de los grados de libertad y elementos de la viga Para la discretización de la viga solo se tendrán en cuenta los grados de libertad rotacionales del nudo A y B ya que se obtendría el momento y el giro respectivamente, para obtener las reacciones verticales en esos mismos nudos se calcularían por estática. 73 Análisis de estructuras por el Método de la rigidez e introducción a los elementos finitos Figura 3.2-b La carga P por la longitud del elemento BC sería el momento equivalente debido a esa carga que actúa en B, recordando que se asume la condición de empotramiento perfecto en los nudos de la viga como se muestra a continuación. Figura 3.2-c 74 Análisis de estructuras por el Método de la rigidez e introducción a los elementos finitos Figura 3.2-d. Fuerzas actuantes en los nodos A y B de la viga Como la viga solo tendrá un desplazamiento angular en el apoyo B la matriz de rigidez se puede determinar cancelando los renglones y filas asociados a los desplazamientos verticales de dicho elemento, se tiene Cancelando los renglones y filas expuestos anteriormente, se obtiene Z1 Y1 Z2 Y2 Z1 Y1 Z2 Y2 [k] = - - - - - - 75 Análisis de estructuras por el Método de la rigidez e introducción a los elementos finitos De este modo, la matriz de rigidez será: Reemplazando los valores de E,I y L se obtiene la matriz de rigidez en kN/m: El vector de desplazamiento ya es conocido, será 0 en el empotramiento y en B no podrá girar más de 0,5° (0,00872 rad) según la magnitud de la carga. Y el vector de fuerzas será igual a: 1 2 [ k ] = 1 2 14780,80 7390,40 1 7390,40 14780,80 2 [ k ] = 0 1 -0,0087 2 [ U ] = Ma - 0,781 1 2P - 0,781 2 [ F ] = 76 Análisis de estructuras por el Método de la rigidez e introducción a los elementos finitos Teniendo en cuenta que K=F/U y despejando la fuerza F= [K]*[U], se obtiene entonces: Resolviendo la matriz, se obtiene Ma – 0,781= 14781*0 - 7390,4*0,00872 (1) 2P - 0,781= 7390*0 - 14781,8*0,00872 (2) Ma – 0,781= - 64,44 (1) 2P - 0,781= - 128,88 (2) Resolviendo las ecuaciones 1 y 2 se obtienen el momento en A y la carga para que se dé la condición inicial. Ma= -63,66 kN.m P= 64,06 kN La carga para que se presente una rotación de 0,5° en el nudo B deber ser de 6,6 toneladas. Ma - 0,781 14780,80 7390,40 0 2P - 0,781 7390,40 14780,80 -0,00872 = x 77 Análisis de estructuras por el Método de la rigidez e introducción a los elementos finitos Capítulo 4 PÓRTICOS PLANOS 4.1 Análisis de pórtico simple con elemento en diagonal. Para el pórtico mostrado en la figura 4.1-a determine las reacciones en la base, desplazamiento horizontal y vertical en el punto C, así como las fuerzas internas del elemento AB. Los elementos CD y BD articulan independientemente en el nodo D. Considere E=200 GPa Fig. 4.1-a Resolución: Propiedades del perfil W14x132 A= 0,0248 m2 Iy= 0,000636 m4 78 Análisis de estructuras por el Método de la rigidez e introducción a los elementos finitos Para enumerar los grados de libertad del pórtico es necesario tener claridad sobre los posibles desplazamientos y giros que se puedan presentar en los nudos para cada elemento, teniendo en cuenta las condiciones de frontera. Ejemplo: los elementos que convergen en el nodo D comparten los mismos grados de libertad horizontales y verticales, mas no tendrá el mismo ángulo de giro, por lo tanto cada uno tendrá un grado de libertad rotacional diferente como se observa en la figura 4.1-b. Figura 4.1- b Establecidos los nudos de pórtico (A, B, C y D), se llevan las fuerzas actuantes a cada uno. Debido a que se cuenta con un elemento con carga distribuida, se asume la condición de empotramiento perfecto en sus extremos y se calculansus reacciones como se observa en la figura 4.1-c, las cuales actuarán en esos nudos como fuerzas equivalentes del pórtico en el sentido opuesto de la reacción. 79 Análisis de estructuras por el Método de la rigidez e introducción a los elementos finitos Figura 4.1- c Las fuerzas equivalentes que actúan en los nodos del pórtico formaran parte del vector de fuerzas en el arreglo matricial, y se resumen en la figura 4.1–d. Figura 4.1- d 80 Análisis de estructuras por el Método de la rigidez e introducción a los elementos finitos Se sabe que la matriz de rigidez de un elemento en el sistema global está dado por: K global= [T’]*[K local]*[T] Donde T es la matriz de rotación de coordenadas presentada en el capítulo 1 par elementos tipo pórticos. Matriz de rigidez local y global de los elementos del pórtico Para la obtención de la matriz de rigidez local de los elementos se reemplazan los valores de A, E, Iz y L de la matriz de un elemento pórtico establecido en el primer capítulo. Elemento 1 Angulo de rotación 90° (1,57 rad). E= 200000000 kpas L= 3,00 m A= 0,02480 m2 I= 0,0006360 Ѳ= 90,00 ° Ѳ= 1,57 rad 81 Análisis de estructuras por el Método de la rigidez e introducción a los elementos finitos Matriz de rigidez en coordenadas locales en kN/m La numeración representa los grados de libertad locales del elemento. Para un ángulo de rotación de 90° medido desde el eje global positivo (X) al eje local positivo longitudinal del elemento y sustituyéndolo en la matriz de transformación de coordenadas, se obtiene Realizando la operación matricialmente K global= [T’][K local][T] se obtiene la matriz de rigidez global del elemento (girado los 90°), la numeración hace correspondencia con los grados de libertad globales mostrados en la figura 4.1- b. 1 2 3 4 5 6 1653333,33 0,00 0,00 -1653333,33 0,00 0,00 1 0,00 56533,33 84800,00 0,00 -56533,33 84800,00 2 0,00 84800,00 169600,00 0,00 -84800,00 84800,00 3 -1653333,33 0,00 0,00 1653333,33 0,00 0,00 4 0,00 -56533,33 -84800,00 0,00 56533,33 -84800,00 5 0,00 84800,00 84800,00 0,00 -84800,00 169600,00 6 [ k1 ] = 0,0 1,0 0,0 0,0 0,0 0,0 -1,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 1,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 1,0 0,0 0,0 0,0 0,0 -1,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 1,0 [ T ] = 82 Análisis de estructuras por el Método de la rigidez e introducción a los elementos finitos Se obtiene entonces: Elemento 2 Angulo de rotación 139,4° (2,43 rads). 1 2 3 11 12 13 56533,33 0,00 -84800,00 -56533,33 0,00 -84800,00 1 0,00 1653333,33 0,00 0,00 -1653333,33 0,00 2 -84800,00 0,00 169600,00 84800,00 0,00 84800,00 3 -56533,33 0,00 84800,00 56533,33 0,00 84800,00 11 0,00 -1653333,33 0,00 0,00 1653333,33 0,00 12 -84800,00 0,00 84800,00 84800,00 0,00 169600,00 13 [ K1 ] = E= 200,00 Gpas E= 200000000 kpas L= 4,609 m A= 0,02480 m2 I= 0,0006360 Ѳ= 139,40 ° Ѳ= 2,43 rad 83 Análisis de estructuras por el Método de la rigidez e introducción a los elementos finitos Matriz de rigidez en coordenadas locales en kN/m Para el Angulo de rotación 139,4° (2,43 rads) en sentido anti horario se obtiene Matriz de rigidez global del elemento 2, asociado a los grados de libertad globales será: 1 2 3 4 5 6 1076155,35 0,00 0,00 -1076155,35 0,00 0,00 1 0,00 15590,08 35927,33 0,00 -15590,08 35927,33 2 0,00 35927,33 110392,71 0,00 -35927,33 55196,35 3 -1076155,35 0,00 0,00 1076155,35 0,00 0,00 4 0,00 -15590,08 -35927,33 0,00 15590,08 -35927,33 5 0,00 35927,33 55196,35 0,00 -35927,33 110392,71 6 [ k2 ] = -0,759 0,651 0,000 0,000 0,000 0,000 -0,651 -0,759 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 1,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 -0,759 0,651 0,000 0,000 0,000 0,000 -0,651 -0,759 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 1,000 [ T ] = 4 5 7 11 12 13 626998,44 -524040,35 -23380,58 -626998,44 524040,35 -23380,58 4 -524040,35 464746,98 -27278,59 524040,35 -464746,98 -27278,59 5 -23380,58 -27278,59 110392,71 23380,58 27278,59 55196,35 7 -626998,44 524040,35 23380,58 626998,44 -524040,35 23380,58 11 524040,35 -464746,98 27278,59 -524040,35 464746,98 27278,59 12 -23380,58 -27278,59 55196,35 23380,58 27278,59 110392,71 13 [ K2 ] = 84 Análisis de estructuras por el Método de la rigidez e introducción a los elementos finitos Elemento 3 Angulo de rotación 90° (1,57 rads). Matriz de rigidez local en kN/m E= 200,00 Gpas E= 200000000 kpas L= 3,00 m A= 0,02480 m2 I= 0,0006360 Ѳ= 90,00 ° Ѳ= 1,57 rad 1 2 3 4 5 6 1653333,33 0,00 0,00 -1653333,33 0,00 0,00 1 0,00 56533,33 84800,00 0,00 -56533,33 84800,00 2 0,00 84800,00 169600,00 0,00 -84800,00 84800,00 3 -1653333,33 0,00 0,00 1653333,33 0,00 0,00 4 0,00 -56533,33 -84800,00 0,00 56533,33 -84800,00 5 0,00 84800,00 84800,00 0,00 -84800,00 169600,00 6 [ k3 ] = 85 Análisis de estructuras por el Método de la rigidez e introducción a los elementos finitos Matriz de transformación de coordenadas, Para el Angulo de rotación 90° (1,57 rads), se obtiene: Matriz de rigidez global del elemento No 3, asociado a los grados de libertad globales será: Elemento 4 Angulo de rotación 0°, como no existe rotación del sistema, la matriz de rigidez local coincide con la global del elemento. 0,00 1,00 0,00 0,00 0,00 0,00 -1,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 1,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 1,00 0,00 0,00 0,00 0,00 -1,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 1,00 [ T ] = 4 5 6 8 9 10 56533,33 0,00 -84800,00 -56533,33 0,00 -84800,00 4 0,00 1653333,33 0,00 0,00 -1653333,33 0,00 5 -84800,00 0,00 169600,00 84800,00 0,00 84800,00 6 -56533,33 0,00 84800,00 56533,33 0,00 84800,00 8 0,00 -1653333,33 0,00 0,00 1653333,33 0,00 9 -84800,00 0,00 84800,00 84800,00 0,00 169600,00 10 [ K3 ] = 86 Análisis de estructuras por el Método de la rigidez e introducción a los elementos finitos Matriz de rigidez local en kN/m Matriz de transformación de coordenadas, para el ángulo de rotación=0°, se obtiene E= 200,00 Gpas E= 200000000 kpas L= 3,50 m A= 0,02480 m2 I= 0,0006360 Ѳ= 0,00 ° Ѳ= 0,00 rad 1 2 3 4 5 6 1417142,86 0,00 0,00 -1417142,86 0,00 0,00 1 0,00 35601,17 62302,04 0,00 -35601,17 62302,04 2 0,00 62302,04 145371,43 0,00 -62302,04 72685,71 3 -1417142,86 0,00 0,00 1417142,86 0,00 0,00 4 0,00 -35601,17 -62302,04 0,00 35601,17 -62302,04 5 0,00 62302,04 72685,71 0,00 -62302,04 145371,43 6 [ k4 ] = 1,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 1,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 1,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 1,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 1,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 1,00 [ T ] = 87 Análisis de estructuras por el Método de la rigidez e introducción a los elementos finitos Matriz de rigidez global del elemento No 4, asociado a los grados de libertad globales. Matriz de rigidez de la estructura Para obtener la matriz de rigidez de toda la estructura se suma la rigidez que aporta cada elemento, al final la matriz será cuadrada y simétrica del tamaño de los grados de libertad establecidos en la numeración de la figura 4.1-b, es decir M13x13. Ejemplo: K11,12= K11,12 elemento1 + K11,12 elemento2 + K11,12 elemento4 K11,12= (0,0) + (-524040) + (0,0) K11,12= -524040 kN/m K13,13= K13,13 elemento1 + K13,13 elemento2 + K13,13 elemento4 K13,13= (169600,0) + (110392,7) + (145371,4) K13,13= 425363,4 kN/m 11 12 13 8 9 10 1417142,86 0,00 0,00 -1417142,86 0,00 0,00 11 0,00 35601,17 62302,04 0,00 -35601,17 62302,04 12 0,00 62302,04 145371,43 0,00 -62302,04 72685,71 13 -1417142,86 0,00 0,00 1417142,86 0,00 0,00 8 0,00 -35601,17 -62302,04 0,00 35601,17 -62302,04 9 0,00 62302,04 72685,71 0,00 -62302,04 145371,4310 [ K4 ] = 88 Análisis de estructuras por el Método de la rigidez e introducción a los elementos finitos Matriz de rigidez del pórtico Los grados de libertad comprendidos entre 6 y 13 están asociadas a las fuerzas externas conocidas, mientras que los cinco primeros grados de libertad a las fuerzas desconocidas que son las reacciones en la base de la estructura. Vector de fuerzas externas 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 56533 0 -84800 0 0 0 0 0 0 0 -56533 0 -84800 1 0 1653333 0 0 0 0 0 0 0 0 0 -1653333 0 2 -84800 0 169600 0 0 0 0 0 0 0 84800 0 84800 3 0 0 0 683532 -524040 -84800 -23381 -56533 0 -84800 -626998 524040 -23381 4 0 0 0 -524040 2118080 0 -27279 0 -1653333 0 524040 -464747 -27279 5 0 0 0 -84800 0 169600 0 84800 0 84800 0 0 0 6 0 0 0 -23381 -27279 0 110393 0 0 0 23381 27279 55196 7 0 0 0 -56533 0 84800 0 1473676 0 84800 -1417143 0 0 8 0 0 0 0 -1653333 0 0 0 1688934 -62302 0 -35601 -62302 9 0 0 0 -84800 0 84800 0 84800 -62302 314971 0 62302 72686 10 -56533 0 84800 -626998 524040 0 23381 -1417143 0 0 2100675 -524040 108181 11 0 -1653333 0 524040 -464747 0 27279 0 -35601 62302 -524040 2153681 89581 12 -84800 0 84800 -23381 -27279 0 55196 0 -62302 72686 108181 89581 425364 13 Equilibrio 70,0 1 2 3 4 5 6 7 8 [Ke] = gdl Fuerzas 1 Ax 2 Ay 3 MA 4 Dx 5 Dy 6 0 7 0 8 0 9 -35,00 10 20,42 11 100,00 12 -35,00 13 -20,42 Fuerzas desconocidas (Reacciones) Fuerzas Conocidas 89 Análisis de estructuras por el Método de la rigidez e introducción a los elementos finitos Vector de desplazamientos Se sabe que la rigidez (K) es la relación entre una fuerza y el desplazamiento elástico que produce. 𝐾 = F U [U]= [K]-1 [F] ecu 3. Se sustrae la sub matriz de rigidez [K00] donde actúan las fuerzas conocidas para calcular sus desplazamiento aplicando la ecuación No 3. Obteniendo la inversa de la matriz Kc: 6 7 8 9 10 11 12 13 169600,0 0,0 84800,0 0,0 84800,0 0,0 0,0 0,0 6 0,0 110392,7 0,0 0,0 0,0 23380,6 27278,6 55196,4 7 84800,0 0,0 1473676,2 0,0 84800,0 -1417142,9 0,0 0,0 8 0,0 0,0 0,0 1688934,5 -62302,0 0,0 -35601,2 -62302,0 9 84800,0 0,0 84800,0 -62302,0 314971,4 0,0 62302,0 72685,7 10 0,0 23380,6 -1417142,9 0,0 0,0 2100674,6 -524040,4 108180,6 11 0,0 27278,6 0,0 -35601,2 62302,0 -524040,4 2153681,5 89580,6 12 0,0 55196,4 0,0 -62302,0 72685,7 108180,6 89580,6 425364,1 13 [K00]= 6 7 8 9 10 11 12 13 0,0000073 -0,0000001 -0,0000011 0,0000000 -0,0000018 -0,0000008 -0,0000002 0,0000005 6 -0,0000001 0,0000098 -0,0000003 0,0000000 0,0000004 -0,0000003 -0,0000002 -0,0000012 7 -0,0000011 -0,0000003 0,0000026 0,0000000 -0,0000004 0,0000019 0,0000005 -0,0000005 8 0,0000000 0,0000000 0,0000000 0,0000006 0,0000001 0,0000000 0,0000000 0,0000001 9 -0,0000018 0,0000004 -0,0000004 0,0000001 0,0000040 -0,0000003 -0,0000002 -0,0000006 10 -0,0000008 -0,0000003 0,0000019 0,0000000 -0,0000003 0,0000019 0,0000005 -0,0000005 11 -0,0000002 -0,0000002 0,0000005 0,0000000 -0,0000002 0,0000005 0,0000006 -0,0000002 12 0,0000005 -0,0000012 -0,0000005 0,0000001 -0,0000006 -0,0000005 -0,0000002 0,0000028 13 [K00] -1 = 90 Análisis de estructuras por el Método de la rigidez e introducción a los elementos finitos Los desplazamientos en los grados de libertad serán: [U]= [K00] -1 [F] Se obtienen entonces los desplazamientos para cada grado de libertad U6= -0,000121 rad U7= 0,0000127 rad U8= 0,0001755 m U9= -0,0000219 m U10= 0,0000668 rad U11= 0,0001793 m U12= 0,0000297 m U13= -0,0001161 rad Reacciones en la base Las reacciones en la base será el producto de la sub matriz asociada al vector de fuerzas (K0t), con los desplazamientos calculados. [f]= [K0t]*[U] ecu 4. 6 7 8 9 10 11 12 13 Fuerzas 0,0000073 -0,0000001 -0,0000011 0,0000000 -0,0000018 -0,0000008 -0,0000002 0,0000005 6 0 6 -0,0000001 0,0000098 -0,0000003 0,0000000 0,0000004 -0,0000003 -0,0000002 -0,0000012 7 0 7 -0,0000011 -0,0000003 0,0000026 0,0000000 -0,0000004 0,0000019 0,0000005 -0,0000005 8 0 8 0,0000000 0,0000000 0,0000000 0,0000006 0,0000001 0,0000000 0,0000000 0,0000001 9 -35,00 9 -0,0000018 0,0000004 -0,0000004 0,0000001 0,0000040 -0,0000003 -0,0000002 -0,0000006 10 20,42 10 -0,0000008 -0,0000003 0,0000019 0,0000000 -0,0000003 0,0000019 0,0000005 -0,0000005 11 100,00 11 -0,0000002 -0,0000002 0,0000005 0,0000000 -0,0000002 0,0000005 0,0000006 -0,0000002 12 -35,00 12 0,0000005 -0,0000012 -0,0000005 0,0000001 -0,0000006 -0,0000005 -0,0000002 0,0000028 13 -20,42 13 [K00] -1 = X [U] -0,0001211 U6 6 7 8 9 10 11 12 13 0,0000127 U7 0 0 0 0 0 -56533 0 -84800 1 0,0001755 U8 0 0 0 0 0 0 -1653333 0 2 -0,0000219 U9 0 0 0 0 0 84800 0 84800 3 0,0000668 U10 -84800 -23381 -56533 0 -84800 -626998 524040 -23381 4 0,0001793 U11 0 -27279 0 -1653333 0 524040 -464747 -27279 5 0,0000297 U12 -0,0001161 U13 8 x 1 x 5 x 8 [ F ] = El desplazamiento horizontal y vertical en el punto C será: U8= 0,000176m ≈ 0.176mm H► U9= -0,000022m≈ 0.22mm V ▼ 91 Análisis de estructuras por el Método de la rigidez e introducción a los elementos finitos Las reacciones en la base serán: Ax= -0,29 kN Ay= -49,2 kN MA= 5,36 kN.m Dx= -99,7 kN Dy= 119,2 kN Figura 4.1- e. Reacciones de la estructura 92 Análisis de estructuras por el Método de la rigidez e introducción a los elementos finitos Figura 4.1- f. Deformación de la estructura debida a las cargas externas Fuerzas internas del elemento 1 Se sabe que las coordenadas locales del sistema en función de las globales para un elemento tipo pórtico está dada por: Con la matriz de transformación de coordenadas multiplicada matricialmente por los desplazamientos globales del elemento 1, se obtienen desplazamientos locales del elemento para el posterior cálculo de las fuerzas internas de este como se ha realizado en los ejercicios anteriores 93 Análisis de estructuras por el Método de la rigidez e introducción a los elementos finitos Desplazamientos locales del Elemento 1 Se sustraen los desplazamientos globales del elemento teniendo en cuenta el número correspondiente a cada grado de libertad. Para Los desplazamientos en coordenadas locales serán UL= [T]*UG, resulta entonces U global 1 0,00 2 0,00 3 0,00 11 0,000179 12 0,000030 13 -0,000116 U global 0,0 1,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,000000 1 -1,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,000000 2 0,0 0,0 1,0 0,0 0,0 0,0 0,000000 3 0,0 0,0 0,0 0,0 1,0 0,0 0,000179 11 0,0 0,0 0,0 -1,0 0,0 0,0 0,000030 12 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 1,0 -0,000116 13 U local = x 94 Análisis de estructuras por el Método de la rigidez e introducción a los elementos finitos Aplicando la ecuación [f]= [k1]*[U1 local] se obtendrán las fuerzas internas del elemento 1: Por lo tanto las fuerzas internas del elemento 1 serán: 0,0000000 1 0,0000000 2 0,0000000 3 0,0000297 4 -0,0001793 5 -0,0001161 6 1 2 U local = 1 2 3 4 5 6 U local 1653333,33 0,00 0,00 -1653333,33 0,00 0,00 0,0000000 1 0,00 56533,33 84800,00 0,00 -56533,33 84800,00 0,0000000 2 0,00 84800,00 169600,00 0,00 -84800,00 84800,00 0,0000000 3 -1653333,33 0,00 0,00 1653333,33 0,00 0,00 0,0000297 4 0,00 -56533,33 -84800,00 0,00 56533,33 -84800,00 -0,0001793 5 0,00 84800,00 84800,00 0,00 -84800,00 169600,00 -0,0001161 6 6 x 16 x 6 [ f1 ] = x f internas 1(A1) -49,18 kN 2(v1) 0,29 kN 3(M1) 5,36 kN.m 4(A2) 49,18 kN 5(v2) -0,29 kN 6(M2) -4,49 kN.m 95 Análisis de estructuras por el Método de la rigidez e introducción a los elementos finitos Como los momentos tienen signos contrarios indica que el elemento se curva simplemente. Figura 4.1- G. Fuerzas internas del elemento 1 96 Análisis de estructuras por el Método
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