Cálculo de Estructuras Metálicas y de Acero

Método de la Rigidez para el Cálculo de Estructuras de Acero


Programa/Aplicación "OnLine"

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Resumen Aplicación para el Cálculo de Estructuras de Acero mediante el Método Matricial o de la Rigidez

CALCULO de ESTRUCTURAS de ACERO OnLine por el Método de la Rígidez o Método Matricial de Cálculo de Estructuras. Programa y Aplicación OnLine de Acceso Público y Gratuito.

El cálculo de estructuras, vigas y elementos de acero, hierro y/o metálicos (METAL), se ha convertido hoy en día en uno de los fundamentos para alcanzar la "Optimización Estructural" o la economía y esbeltez de una obra de ingeniería. Actualmente los profesionales relacionados con la Arquitectura, la Ingeniería, los oficios y suministros relacionados, así como los estudiantes de ambas disciplinas, disponen de herramientas Software (Computación) capaces de resolver los diferentes problemas de diseño estructural de manera eficiente. Pero saber manejar una de estas aplicaciones no implica el conocimiento del cálculo, y por tanto, se pueden malinterpretar resultados y cometer errores que afecten a la integridad de las estructuras de acero.

Como primer paso de Eidos Series(n) Engineering en el Cálculo de Conjuntos Estructurales, hemos decidido escribir una aplicación capaz de hacer comprender al usuario los fundamentos del Cálculo Matricial de Estructuras, no solo desde el aspecto práctico de un programa de cálculo, sino también desde el punto de vista académico. Para lograr este objetivo hemos dejado abierta la base se datos de la aplicación, de manera que el usuario que quiera adentrarse en las profundidades del Cálculo Matricial de Estructuras pueda conocer los valores y ecuaciones intermedias que son la clave angular de la resolución de conjuntos estructurales.

Por tanto, el usuario de esta aplicación no solo podrá calcular Estructuras Planas de Acero y/o Metal, sino que también encontrará una herramienta fantástica y UNICA en Internet capaz de ayudarlo a comprender los entresijos y profundidad del cálculo teórico de estructuras.

Desde el punto de vista de la DOCENCIA, Eidos Series(n) Engineering ofrece una aplicación ideal para el ámbito universitario. Correctamente utilizada, permitirá a los profesores explicar convenientemente el cálculo matricial de estructuras y el método de la rígidez al tener acceso a los valores intermedios de las matrices que componen las barras y el ensamblaje de la estructura completa, así como acceso a los valores de ecuaciones y resoluciones de estas. Desde nuestro modesto punto de vista, es una aplicación sin precedentes en internet y que hará fácil, ameno y comprensible el aprendizaje de estas técnicas de cálculo estructural.

Pero no solo nos hemos detenido en la vertiente DOCENTE de la aplicación de Cálculo de Estructuras de Acero, sino que también la hemos diseñado fácilmente comprensible de operar. Uno de los aspectos que más ofusca a los usuarios primerizos de estas aplicaciones de cálculo estructural es la molesta y sobresaturada interfaz gráfica que ofrencen estos programas. Nuestra aplicación, CALESTMAT V2.017A, o CALculo de ESTructuras MATricial 2.017 Versión A(Primera Versión del Año), es una herramienta de cálculo de estructuras de interfaz minimalista, libre de iconos y de elementos que disminuyan la superficie neta de diseño y representación de resultados. Como en todas las nuevas aplicaciones que diseñamos, incorporamos dos conceptos totalmente novedosos en internet:

- NO ICONS (ausencia de iconos): al contrario que las demás aplicaciones de cálculo de estructuras, se ha prescindido totalmente de los iconos, sustituyéndolos por textos descriptivos de la función de cada operador.

- CLEAR SCREEN (pantalla despejada): uno de los aspectos más importantes de esta aplicación de cálculo de estructuras es la maximización del espacio neto de pantalla, teniendo como acceso a todos los operadores tan solo una flecha que indica la activaciín de los recursos del programa.

La aplicación, además de lo expuesto en los párrafos anteriores, es capaz de realizar el cálculo de estructuras planas de acero, y tan solo está limitada por los tipos de apoyo, que en este caso deben ser todos del tipo empotrado. Una vez introducidos en el display (pantalla) los nudos, barras, condiciones de contorno de la estructura, materiales para cada viga de acero, y cargas tanto en nudos como en barras, la aplicación es capaz de mostrar los diagramas de Momentos Flectores, Esfuerzos Cortantes, Esfuerzos Axiales, Deformada, Gráfica de Tensiones, Comprobaciones de las Vigas, Desplazamientos de los Nudos por Hipótesis de Carga y las Reacciones de la Estructura en los diferentes apoyos, todo ello interactivo con solo pasar el puntero del rató por encima de las diferentes gráficas extraídas del Cálculo de la Estructura de Acero.

Además de la aplicación, Eidos Series(n) Engineering ofrece a todos los usuarios la oportunidad de realizar preguntas en el TimeLine de FaceBook destinado a las diferentes consultas relacionadas con el Cálculo de Estructuras de Acero por el Método de la Rigidez o Método Matricial. Contestaremos todas las preguntas en el menor tiempo posible.

         
Desarrollador Aplicación Web
Sebastián Moya Pérez   Sebastián Moya Pérez

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App-Book
CALESTMAT V2.017A
Cálculo de Estructuras y Vigas de Acero-Metálicas OnLine

       

Interface Gráfica - Cálculo de Estructuras

Como parte del diseño integrado en web, la interface gráfica de la aplicación de Cálculo de Estructuras y Vigas de Acero es completamente diáfana y carece de iconos visuales que indiquen la utilidad de cada elemento. Tan solo insistimos en el triángulo de acceso a comandos posicionado en la zona central del lado derecho de la pantalla según se mira. Desde aquí se puede acceder a todos los operadores de la aplicación. La ilustración inferior es una muestra del concepto CLEAR SCREEN aplicado a todos nuestros desarrollos presente y futuros.

Interface Gráfica Cálculo de Estructuras

Como se observa en la ilustración superior, la pantalla muestra unos ejes de generales orientativos, los ejes generales y el sistema de coordenadas y una cuadrícula de 100cmx100cm que ocupa la totalidad del area de diseño.

 

Menú General - Estructuras

Todo programa de diseño, edición y cálculo de estructuras necesita de un menú principal donde distribuir todos los apartados, clases y subclases de comandos o instrucciones capaces de realizar las tareas necesarias que conducen a los resultados del cálculo estructural. Para esto, a la derecha de la pantalla según el observador, la aplicación dispone de un triángulo de acceso a contenidos, el cual, simplemente pasando el ratón, muestra el Menú General de Diseño y Cálculo de Estructuras:

Menú General Estructura de Acero

El menú de la aplicación se divide en tres bloques principales:

- ORDENES VISUALES

- MENU ESTRUCTURA

- MENU CALCULO

Distribuídos dentro de estos apartados se encuentran las órdenes, comandos y procedimientos que permiten el diseño y cálculo de estructuras de acero y/o metálicas.

Eidos Series(n) Engineering ha dispuesto en esta página todos los contenidos audiovisuales básicos que proporcional el aprendizaje necesario para abordar el problema de cálculo.

 

Estructuras de Acero - Nudos

El cálculo matricial de estructuras se basa principalmente en el análisis del comportamiento de los nudos, que son la base de la definición de la estructura. Así pues, lo primero que debemos diseñar es la disposición de los nudos de la estructura donde arrivarán las diferentes barras o vigas de acero.

La ilustración inferior muestra los nudos de una estructura en ciernes y en la esquina superior izquierda, el menú de introducción de las coordenas numéricas de los nudos.

Nudos Estructura de Acero

Para conseguir esto, el método empleado para el posicionamiento es el de las Coordenadas Cartesianas. El menú de edición quedaría de la siguiente manera:

Nudos en las Estructuras de Acero
       

Condiciones de Contorno - Estructura

Las condiciones de contorno de una estructura de acero son las que delimitan aquellos puntos donde esta coincide con el suelo o con otra estructura o subestructura de materiales y propiedades diferenciadas. En el caso de un edificio, las condiciones de contorno normalmente se encuentran en los cimientos de este.

Para definir estas condiciones de contorno la aplicación dispone de una interface gráfica muy sencilla de seguir. La ilustración inferior muestra su composición:

Condiciones de Contorno Estructura
Condiciones de Contorno NUDOS

La aplicación permite la definición del cuatro condiciones de contorno del tipo "empotrado". En sucesivas versiones ampliaremos estas condiciones a las articuladas, apoyadas y móviles.

 

Materiales - Vigas - Estructura

Una vez se ha completado el proceso de diseño teórico de la estructura de acero a calcular, es necesario proveer de propiedades físicas a los elementos que la componen, en este caso, a las barras. Para lograr esto, primero habrá que seleccionar un material base de trabajo. El programa dispone de una sencilla interface gráfica que accede a la base de datos de materiales disponibles:

Materiales Principales en Estructuras de Acero

En la ilustración superior se aprecia la selección del material de trabajo base para la estructura de acero. En este caso y como ejemplo, se ha seleccionado una IPE-300, y la base de datos muestra sus principales propiedades mecánicas. Para enlazar este material a las diferentes vigas metálicas, se propone otra interface gráfica.

Materiales Vigas de Acero

En la ilustración superior se muestran las vigas de acero que componen la estructura y la tipología y sección usada en cada viga de acero.

La interface de integración del material en la estructura de acero tiene la siguiente apariencia:

Tipos de Vigas de Acero en Estructuras
 

Estructuras de Acero - Barras/Vigas

Una vez definida la posición de los nudos de la estructura de acero, habrá que enlazar estos mediante entidades matemáticas (líneas) capaces de crear el esqueleto o armazón de la estructura.

Esto se consigue simplemente enlazando los nudos (puntos) de la estructura de acero.

Vigas en las Estructuras de Acero

En la ilustración superior se aprecia claramente la estructura que se está definiendo. En la ilustración inferior se muestra el menú de introducción de datos para enlazar los nudos.

Vigas y Nudos en las Estructuras de Acero
       

Estructura - Cargas en Nudos

Las estructuras de acero y/o metálicas pueden estar cargadas en los nudos, aunque no es lo más habitual. Para poder realizar esta tarea, la aplicación dispone de una interface gráfica de introducción de datos de carga en nudos que tiene la siguiente apariencia:

Cargas en Nudos

El editor de cargas en los nudos permite la introducción de cargas puntuales y momentos.

Editor de Cargas en los Nudos de la Estructura de Acero

Las cargas en los nudos de la estructura, puntuales y momentos, se rigen por valores angulares que se representan de la siguiente manera:

Angulo Carga en Nudo de Estructura

Los posibles ángulos abarcan la circunferencia completa y tienen la siguiente disposicion de 0,90,180,360.

Angulo Carga en Nudos Estructura
 

Modelo de Cálculo de la Estructura de Acero

Existen multitud de modelos de cálculo de estructuras y de sus comprobaciones. Esta aplicación no trata de definirse dentro de la normativa específica de ningún país, sino que trata de analizar una estructura según el modelo matricial y las comprobaciones básicas de la mecánica clásica. No obstate, las comprobaciones y los modelos son variados, y la aplicación ofrece tan solo los más comunes a la hora de comprobar una estructura de acero.

Modelos de Cálculo de una Estructura de Acero

Como se aprecia en la ilustración superior, la aplicación ofrece tres tipos de comprobaciones resistentes así como la posibilidad de incluir el Pandeo Lateral de Vigas de Acero y/o Metálicas.

 

Estructura - Cargas en Barras

Lo más habitual en una estructura de acero y/o metálica es que esta se encuentre cargada en las barras o vigas. Aparte del peso propio de las vigas, con una orientación de 90º, la aplicación permite tres tipos de carga:

- Uniformemente Repartida Total

- Uniformemente Repartida en un Segmento

- Carga Putual

En la ilustración inferior, sobre los formeros del pórtico, pueden apreciarse estos tres tipos de carga.

Cargas en Barras de la Estructura de Acero

La interface de introducción de cargas en la estructura quedaría de la siguiente manera:

Cargas en Vigas de Estructuras de Acero

El patrón de introducción de los ángulos de carga sigue el siguiente esquema gráfico:

Angulo de Cargas de Barra en Estructuras de Acero
       

Resultados - Momento Flector

Una de las capacidades máximas de la aplicación de cálculo de estructuras es la de poder ofrecer resultados gráficos interactivos, de manera que el diseñador pueda observar en tiempo real los valores de los esfuerzos en cada punto de la estructura.

Momento Flector Carga Muerta

Al haber diseñado la aplicación desde un punto de vista ACADEMICO y DIDACTICO, el software permite la superposición de todas las gráficas, incluídos los momentos flectores, lo que hace que los docentes, estudiantes y diseñadores puedan comprender la interacción de los diferentes sistemas de carga de la estructura de acero.

Interacción Momentos Flectores

La ilustración superior muestra las gráficas del momento flector debido al peso propio de cada viga de la estructura de acero, el momento flector debido a las cargas muertas y la suma o interacción entre ambos flectores.

Resultados - Esfuerzo Cortante

Aunque el esfuerzo cortante rara vez tiene una incidencia determinante en el análsis y cálculo de estructuras de acero, se ha creído conveniente incorporar estas gráficas, de manera que el diseñador pueda tener disponible la mayor información posible. Al igual que en el momento flector, las gráfias son interactivas y acumulativas.

Esfuerzos Cortantes en Vigas y Estructura

Los esfuerzos cortantes tienen que ver con la posición de los nudos, el nudo principal o de referencia y la posición relativa de las cargas, por lo que pueden darse casos de representación gráfica no simétricos, aunque los valores si estén correctamente calculados para cada sección de la viga objeto de análisis.

Resultados - Esfuerzo Axial

El esfuerzo axial, axil o tracción-comprensión si es determinante a la hora de calcular una estructura de acero. Los signos de estos esfuerzos indican si estos son de tracción o de compresión.

La ilustración inferior muestras estas gráficas interactivas:

Exfuerzo Axial en Estructura de Acero

Resultados - Deformada

La deformación de una estructura de acero es una de las funciones más determinantes a la hora de diseñar un sistema estructural. Puede ser incluso que la estructura pueda ser completamente resistente pero ofrecer valores de deformación que puedan inutilizar la estructura.

Para calcular esto, la aplicación ofrece una gráfica totalmente interactiva con la opción de superponer las deformaciones procedentes de la distintas hipótesis de cálculo de la estructura.

Deformación Estructura de Acero

 

 

Cálculo de la Estructura - Parámetros

Para el cálculo de estructuras de acero es necesario establecer unos parámetros de cálculo referentes a las siguientes variables expuestas en el siguiente cuadro de diálogo:

Parámetros de Cálculo de Estructuras de Acero

Tipo de Acero: aparte de definir las propiedades mecánicas de las vigas o barras de la estructura, también hay que definir el tipo de acero del que están compuestas las vigas, y por tanto, su resistencia. Se han incorporado a la aplicación tipos de acero no solo procedentes de la UE, sino también de EEUU y Sudamérica. Tambien se ofrece la posibilidad de insertar un valor resistente AD-HOC, por lo que la aplicación puede resolver multitud de cálculos según los materiales interpuestos.

Tipos de Acero en Estrcturas

Flecha Máxima Admisible: para saber si una estructura o viga parte de esta estructura de acero es adecuada no basta con evaluar su resistencia, sino también la deformación que las cargas aplicadas provocan en cada elemento. Para esto, se puede limitar la flecha o deformación máxima en fracciones de LUZ (longitud de la viga), limitando así el valor máximo a partir del cual la viga de acero quedaría fuera de uso.

Flecha Máxima Admisible Estructuras Acero

Seguridad del Acero: no es conveniente que el acero que se utiliza para levantar una estructura trabaje al 100% de su capacidad, dado que existen multitud de variables que podrían hacer que el acero no resita su propia capacidad nominal. Para esto existen los coeficientes de seguridad del acero, dependientes de cada normativa estatal, y que en el editor de la aplicación se pueden modificar según la conveniencia.

Coeficientes de Seguridad Acero

Reserva de Resistencia del Acero: este es un concepto solo aplicable a estructuras planas de acero, y es porque los cálculos solo reflejan las reacciones del material en uno de los planos. Para corregir los esfuerzos perpendiculares a este plano principal de trabajo, la aplicación desarrolla este apartado, de modo que el diseñador pueda reservar el porcentaje neceario que estime para cubrir la incidencia de estos exfuerzos.

Reserva de Resistencia del Acero Estructural

Coeficientes de Seguridad Cargas: los coeficientes de seguridad de las cargas son multiplicadores que modifican el valor nominal de estas según las diferentes normativas de cada país. Atendiendo a que estos coeficientes pueden ser diferentes según cada normativa y combinaciones de fuerzas, la aplicación ofrece la posibilidad de modificar estos valores de forma que se adapten a las necesidades del diseñador de la estructura.

Coeficientes de Seguridad Cargas en Vigas de Acero
 

Resultados - Reacciones

Tanto la estructura como las cargas aplicadas producirán unas reacciones en los cimientos que servirán de base para el dimensionamiento de hormigón y armaduras necesarias.

El programa ofrece un modo visual e inteactivo para observar estas reacciones, ya sea por hipótesis o en su conjunto:

Reacciones en Cimientos de la Estructura de Acero

El nivel de interactividad de esta propiedad se expresa en la siguiente gráfica:

Reacciones Detallle Estructuras

Resultados - Tensiones Acero

Las cargas producen tensiones en las vigas de acero de la estructura, y estas son la variable principal pero no única que determina la resistencia estructural.

Las tensiones tienen un límite de aprovechamientos por encima del cual la estructura o un elemento de la estructura quedaría fuera de cálculo. Para determinar esto, la aplicación ofrece una función característica que indicará al diseñador la aceptación o rechazo de cada elemento estructura.

Tensiones Estructuras

Los resultados gráficos de las tensiones consisten en una evidente carta de colores y porcentajes de tensión que puede observarse en la siguiente ilustración:

Tensiones Viga de Acero

Resultados - Comprobaciones

La estructura en general y cada elemento o viga en particular necesita de unas determinadas comprobaciones que graranticen la resistencia del conjunto y las partes. Para esto, se proporciona un display interactivo fundamentado en colores en el que el diseñador de la estructura podrá encontrar toda la información que necesita para confiar o no en la estructura diseñada.

Comprobación Estructura de Acero

Los datos proporcionados por la aplicación siguen el siguiente esquema:

Comprobación Viga de Acero
       
       
COMPLEMENTOS
Información Adicional de Interés
       

Video Tutoriales

En este apartado se expone el listado completo de los video-tutoriales y ejemplos audiovisuales relacionados con la aplicación de Cálculo de Estructuras de Acero On-Line.

YouTube   https://youtu.be/gZltX_-11-o
    Primer Video-Tutorial sobre la aplicación de Cálculo de Estructuras Metálicas por el Método Matricial o Método de la Rigidez.
YouTube  
     
     
     
   
     

 

 

 

Documentación

Adjuntamos a esta página información de interés que puede ayudar a desarrollar los conocimientos del usuario sobre el Cálculo de Estructuras de Acero.

Cálculo Matricial de Estructuras

Sencillo curso sobre el Cálculo de Estructura de Acero por el Método Matricial. Este curso se enfoca desde el lado de la programación, lo cual, junto a la aplicación asociada, hace que el usuario pueda comprender mejor las interioridades de este método.

  Logo  
Calculo Matricial de Estructuras.pdf
 

Enlaces de Interés

 

 

       
PARTNERS
Empresas Colaboradoras - Eidos Series(n) Engineering
Aplicación CALESTMAT V2.017A
             

Malbarquitectos

Estudio de Arquitectura y Urbanismo de ámbito nacional ubicado en Jerez de la Frontera, Cádiz, España.

www.malbarquitectos.com

 

Tess Ingeniería

Estudio de Ingeniería y Edificación de ámbito nacional ubicado en Jerez de la Frontera, Cádiz, España.

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CVA 2.017A WEB

Sencilla aplicación web para el diseño y cálculo de vigas de acero. Mediante el método directo, el usuario podrá determinar cargas en las diferentes hipótesis de cálculo y comprobar el comportamiento de la viga de acero.

CVA 2.017A WEB

           
         
Programa de Cálculo de Vigas            
             
             
             
Cálculo Matricial de Estructuras
Artículos y Post sobre el Método Matricial o de la Rigidez para el Cálculo de Estructructuras de Acero
 

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