Disseny i càlcul de l'estructura de la biblioteca del centre cultural "els Costals" a Castellbisbal

Disseny i càlcul de l’estructura de la biblioteca del centre cultural “els Costals” a Castellbisbal Resultats del programa RISA 3D Pàg. 1 Resum El present Annex correspon a la presentació de resultats obtinguts a partir del model del programa de càlcul Risa 3D. Inicialment, es realitza una breu descripció del funcionament d’aquest programa. A continuació, s’explica el funcionament del preprocessador, és a dir, la preparació del model, definició d’elements, introducció de càrregues, etc. I per acabar, es duu a terme la presentació dels resultats de manera gràfica, permetent així, la interpretació i identificació de les magnituds amb els elements o parts de les estructures analitzades. S’ha cregut convenient no presentar llistats de resultats numèrics degut a l’elevat volum d’informació que representa. Pàg. 2 Annex D Disseny i càlcul de l’estructura de la biblioteca del centre cultural “els Costals” a Castellbisbal Resultats del programa RISA 3D Pàg. 3 Sumari RESUM ______________________________________________________1 SUMARI _____________________________________________________3 1. DESCRIPCIÓ DEL PROGRAMA ______________________________5 2. PREPROCESSADOR_______________________________________7 2.1. Preparació del model ....................................................................................... 7 2.2. Aplicació de les accions ................................................................................... 9 2.3. Hipòtesis de càlcul ......................................................................................... 13 2.4. Discretitzacions dels elements finits .............................................................. 14 2.5. Condicions de contorn ................................................................................... 15 2.6. Simulació del forjat col·laborant ..................................................................... 15 3. CÀLCUL DE L’ESTRUCTURA_______________________________17 4. POSTPROCESSADOR ____________________________________18 4.1. Plantes............................................................................................................ 19 4.2. Encavallades.................................................................................................. 29 4.3. Rampa............................................................................................................ 37 4.4. Pilars............................................................................................................... 39 BIBLIOGRAFIA ______________________________________________61 Referències bibliogràfiques ..................................................................................... 61 Pàg. 4 Annex D Disseny i càlcul de l’estructura de la biblioteca del centre cultural “els Costals” a Castellbisbal Resultats del programa RISA 3D Pàg. 5 1. Descripció del programa El programa Risa 3D és un processador d’elements finits, tant lineals com superficials. Aquest fet suposa de gran utilitat per realitzar un anàlisi global d’edificis amb estructures compostes per elements que treballen com una placa i per elements que treballen com una barra. Aquest és el cas del present projecte, on hi ha lloses de formigó i estructura metàl·lica que interaccionen entre si. L’entorn gràfic no és un entorn CAD senzill d’utilitzar. En canvi, el programa sí que permet importar models en 3 dimensions realitzats amb un programa CAD, reconeixent els elements agrupats en capes separades com elements estructurals independents. D’aquesta manera, si es realitza un model amb cura, preveient tipologies estructurals similars i agrupant-les amb capes, resulta senzill, un cop exportat el model al programa de càlcul, assignar les propietats als elements. Per designar les propietats als elements, existeixen unes llibreries amb diferents materials i les seves propietats, i d’altres on es troben tots els perfils laminats europeus. Aquestes llibreries són fàcilment editables, permetent canviar o crear qualsevol material o perfil desitjat que no s’inclogui per defecte. Pel que fa les càrregues, el Risa 3D permet definir tantes com sigui necessari. Es poden aplicar càrregues puntuals, lineals, tant constants com variables, i superficials en elements tipus placa. Aquestes es poden aplicar en els elements en funció dels eixos globals del model o en funció dels eixos locals del propi element. Donada geometria de l’edifici, de cara a inserir càrregues gravitatòries o de vent, és més senzill fer-ho segons els eixos globals del model. En quant a les hipòtesi de càlcul, un cop definides les càrregues, el programa permet realitzar combinacions de manera senzilla. A més, per a cada combinació, es pot determinar si es vol que el programa realitzi càlculs de segon ordre, per tal de tenir en compte, per exemple, els efectes del vinclament en els elements sotmesos a compressió. El programa també permet variar la discretització, tant dels elements lineals, com dels superficials. En els elements lineals, com que els esforços més importants acostumen a estar en el centre o en els extrems, no és necessari realitzar una discretització acurada, ja que l’únic que s’aconsegueix és que el temps de càlcul s’incrementi. En canvi, en els elements superficials sí que és rellevant utilitzar una malla adequada. Es recomana no realitzar elements més grans d’1 metre de costat. Pàg. 6 Annex D Abans de procedir al càlcul, és necessari definir les condicions de contorn. El programa té predefinides les funcions d’empotrament, articulació i articulació lliscant. De totes maneres, es pot aplicar una condició de contorn restringint el graus de llibertat desitjats. A part, en els elements lineals es poden variar les condicions dels seus extrems, permetent que s’articuli o que no pugui estar sol·licitada a moment torçor. Un cop definits i executats tots els aspectes descrits fins ara, es procedeix a realitzar el càlcul. En aquest aspecte el programa també ofereix diverses opcions: es pot realitzar el càlcul d’una combinació, el càlcul independent de varies combinacions preseleccionades o el realitzar el càlcul de l’envolvent d’aquestes. En funció de l’opció desitjada i de factors com el número d’elements i la seva discretització, el temps de càlcul del programa varia significativament. Els resultats obtinguts es poden consultar de diverses formes, en funció de si l’element és lineal o superficial, de si es vol visualitzar un element concret o una visió general, etc. Per elements superficials, es consulten els resultats mitjançant els mapes d’isovalors. Aquests mostren qualsevol tipus d’esforç mitjançant corbes de nivell amb un valor numèric determinat. En canvi, les deformacions només es poden extreure a partir dels desplaçaments horitzontals dels nodes implicats. Per altra banda, en els elements lineals es poden consultar qualsevol tipus de sol·licitació o de deformació de forma individual. Pel contrari, si es realitza el càlcul de l’envolvent, només es poden consultar els esforços de manera general amb els diagrames expressats gràficament sobre el model. I per finalitzar, comentar que l’entorn gràfic del programa Risa 3D no és tant interactiu com d’altres programes del sector. Per exemple, realitzar modificacions en la geometria del model o visualitzar parts concretes de l’edifici no són tasques senzilles. En canvi, té altres qualitats favorables, com realitzar renders de l’estructura, eina útil per veure la orientació dels perfils metàl·lics, o la possibilitat de guardar vistes predeterminades de l’edifici un cop aïllades de la resta. Disseny i càlcul de l’estructura de la biblioteca del centre cultural “els Costals” a Castellbisbal Resultats del programa RISA 3D Pàg. 7 2. Preprocessador En aquest apartat es realitza una descripció gràfica dels passos a seguir abans de realitzar el càlcul del model amb el programa. 2.1. Preparació del model Com s’ha comentat anteriorment, és recomanable realitzar un model amb un programa de CAD on es defineixi l’estructura en 3 dimensions i s’agrupi en capes les diferents tipologies d’elements. El programa de dibuix utilitzat per realitzar el model ha estat l’Autocad 2002. En les següents figures es pot observar l’aspecte d’aquest model. Figures 2.1, 2.2 i 2.3 Diferents vistes del model de l’edifici realitzat amb Autocad 2002 Un cop finalitzat el model, aquest s’exporta al programa de càlcul Risa 3D, tal i com es mostra en la Fig. 2.4. En aquest ja apareixen els nodes, els elements lineals i els elements superficials. Pàg. 8 Annex D Figura 2.4 Model exportat al programa de càlcul Risa 3D Aquest programa detecta i proporciona les mateixes característiques als elements que en el model realitzat amb l’Autocad s’agrupaven en una mateixa capa. En la Fig. 2.5 es mostra com s’estructura aquest sistema, amb el material i una secció assignada a cada tipus d’element. Figura 2.4 Model exportat al programa de càlcul Risa 3D Disseny i càlcul de l’estructura de la biblioteca del centre cultural “els Costals” a Castellbisbal Resultats del programa RISA 3D Pàg. 9 Aquest procediment és útil per dur a terme un càlcul inicial de l’estructura. Una vegada realitzades les comprovacions tensionals i de deformacions, es poden ajustar les seccions dels elements individualment. Els materials i les seccions assignats als elements vénen definits en unes biblioteques pròpies del programa. Aquestes són fàcilment editables si es desitja afegir quelcom que no estigui definit en aquestes. En les següents figures es mostren aquestes biblioteques. Figura 2.5 Biblioteca de materials Figura 2.6 Biblioteca de seccions 2.2. Aplicació de les accions L’aplicació de les accions sobre l’estructura en el programa es pot dur a terme de manera superficial, lineal o puntual. No s’ha cregut convenient mostrar cada tipus de càrrega aplicada en el model complet de l’edifici, ja que les opcions gràfiques del programa no permeten extreure imatges Pàg. 16 Annex D Aquest s’aconsegueix triangulant totes les zones de forjat amb tirants articulats a l’extrem. Se suposa que aquests són d’un material amb propietats similars a l’acer, però amb una densitat quasi nul·la de cara a no afegir pes a l’estructura. A la Fig. 2.14 es pot observar aquesta solució per simular l’efecte del forjat col·laborant. Figura 2.14 Solució per simular l’efecte arriostrant del forjat col·laborant Disseny i càlcul de l’estructura de la biblioteca del centre cultural “els Costals” a Castellbisbal Resultats del programa RISA 3D Pàg. 17 3. Càlcul de l’estructura El programa Risa 3D ofereix diverses opcions en quant al càlcul de l’estructura. Aquestes són les següents: ¾ Càlcul d’una combinació ¾ Càlcul independent de varies combinacions preseleccionades ¾ Càlcul de l’envolvent de varies combinacions preseleccionades Aquestes opcions es s’observen en la Fig. 3.1 mostrada a continuació. Figura 3.1 Opcions de càlcul del programa Risa 3D En funció de l’opció desitjada i de factors com el número d’elements i la seva discretització, el temps de càlcul del programa varia significativament. Per tal d’extreure resultats gràfics dels esforços i les deformacions, es calcula l’estructura fent l’envolvent de les hipòtesis de l’estat límit últim (ELU) i de les hipòtesis de l’estat límit de servei (ELS), respectivament. Pàg. 18 Annex D 4. Postprocessador En aquest apartat es mostren gràficament els resultats més representatius (esforços rellevants i deformacions) obtinguts de realitzar el càlcul de l’estructura de l’edifici del present projecte. Els resultats es desglossen en les següents vistes: ¾ Plantes ¾ Encavallades ¾ Rampa ¾ Pilars En aquelles vistes on apareguin elements superficials, els esforços es visualitzen mitjançant mapes d’isovalors. En aquests mapes, els resultats es mostren en funció dels eixos globals del model. En canvi, allà on apareguin elements tipus barra, els esforços es representen en funció dels eixos locals d’aquests, tal i com es mostra en la Fig. 4.1. Figura 4.1 Eixos locals dels perfils Disseny i càlcul de l’estructura de la biblioteca del centre cultural “els Costals” a Castellbisbal Resultats del programa RISA 3D Pàg. 19 4.1. Plantes a) Sostre planta soterrani (SPS) Deformacions Mapa d’isovalors del moment flector en la direcció X Pàg. 20 Annex D Mapa d’isovalors del moment flector en la direcció Y Mapa d’isovalors de l’esforç tallant en la direcció X Disseny i càlcul de l’estructura de la biblioteca del centre cultural “els Costals” a Castellbisbal Resultats del programa RISA 3D Pàg. 21 Mapa d’isovalors de l’esforç tallant en la direcció Y b) Sostre planta baixa (SPB) Descripció de l’estructura Pàg. 22 Annex D Deformacions Diagrames de moment flector respecte l’eix x Disseny i càlcul de l’estructura de la biblioteca del centre cultural “els Costals” a Castellbisbal Resultats del programa RISA 3D Pàg. 23 Diagrames d’esforç tallant c) Sostre planta primera (SP1) Descripció de l’estructura Pàg. 24 Annex D Deformacions Diagrames de moment flector respecte l’eix x Disseny i càlcul de l’estructura de la biblioteca del centre cultural “els Costals” a Castellbisbal Resultats del programa RISA 3D Pàg. 25 Diagrames d’esforç tallant d) Coberta (COB) Descripció de l’estructura Pàg. 32 Annex D Diagrames d’esforç axil b) Encavallada 2 Descripció de l’estructura Disseny i càlcul de l’estructura de la biblioteca del centre cultural “els Costals” a Castellbisbal Resultats del programa RISA 3D Pàg. 33 Deformacions Diagrames de moment flector respecte l’eix x Pàg. 34 Annex D Diagrames d’esforç tallant Diagrames d’esforç axil Disseny i càlcul de l’estructura de la biblioteca del centre cultural “els Costals” a Castellbisbal Resultats del programa RISA 3D Pàg. 35 c) Encavallada 3 Descripció de l’estructura Deformacions Diagrames de moment flector respecte l’eix x Pàg. 36 Annex D Diagrames d’esforç tallant Diagrames d’esforç axil Disseny i càlcul de l’estructura de la biblioteca del centre cultural “els Costals” a Castellbisbal Resultats del programa RISA 3D Pàg. 37 4.3. Rampa Descripció de l’estructura Deformacions Pàg. 38 Annex D Diagrames de moment flector respecte l’eix x Diagrames d’esforç tallant Disseny i càlcul de l’estructura de la biblioteca del centre cultural “els Costals” a Castellbisbal Resultats del programa RISA 3D Pàg. 39 Diagrames d’esforç axil 4.4. Pilars Per visualitzar els resultats dels pilars, es separa l’edifici en diferents pòrtics. Aquests es poden observar en la Fig. 4.3. Figura 4.3 Disposició dels pòrtics de l’edifici Per altra banda, en aquest apartat, també es mostren independentment els esforços dels pilars apantallats de l’edifici. Pàg. 40 Annex D a) Pòrtic 1 Descripció de l’estructura Deformacions Disseny i càlcul de l’estructura de la biblioteca del centre cultural “els Costals” a Castellbisbal Resultats del programa RISA 3D Pàg. 41 Diagrames de moment flector respecte l’eix x Diagrames de moment flector respecte l’eix y Pàg. 48 Annex D Diagrames de moment flector respecte l’eix x Diagrames de moment flector respecte l’eix y Disseny i càlcul de l’estructura de la biblioteca del centre cultural “els Costals” a Castellbisbal Resultats del programa RISA 3D Pàg. 49 Diagrames d’esforç tallant respecte l’eix x Diagrames d’esforç tallant respecte l’eix y Pàg. 50 Annex D Diagrames d’esforç axil d) Pòrtic 4 Descripció de l’estructura Disseny i càlcul de l’estructura de la biblioteca del centre cultural “els Costals” a Castellbisbal Resultats del programa RISA 3D Pàg. 51 Deformacions Diagrames de moment flector respecte l’eix x Pàg. 52 Annex D Diagrames de moment flector respecte l’eix y Diagrames d’esforç tallant respecte l’eix x Disseny i càlcul de l’estructura de la biblioteca del centre cultural “els Costals” a Castellbisbal Resultats del programa RISA 3D Pàg. 53 Diagrames d’esforç tallant respecte l’eix y Diagrames d’esforç axil Pàg. 54 Annex D e) Pòrtic 5 Descripció de l’estructura Deformacions Disseny i càlcul de l’estructura de la biblioteca del centre cultural “els Costals” a Castellbisbal Resultats del programa RISA 3D Pàg. 55 Diagrames de moment flector respecte l’eix x Diagrames de moment flector respecte l’eix y Pàg. 56 Annex D Diagrames d’esforç tallant respecte l’eix x Diagrames d’esforç tallant respecte l’eix y Disseny i càlcul de l’estructura de la biblioteca del centre cultural “els Costals” a Castellbisbal Resultats del programa RISA 3D Pàg. 57 Diagrames d’esforç axil f) Pilars apantallats Eixos locals dels elements superficials