Análisis Estático y Dinámico de Estructuras / Wilson PDF

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Accelerat ing t he world's research.

Análisis Estático y Dinámico de Estructuras / Wilson franklin cuba

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métodos numéricos empleados en las últimas versiones de los programas SAP y ETABS. La mayoría de los elementos y métodos numéricos que se usan en estos programas son nuevos, y no se presentan en libros de texto actuales sobre el análisis estructural. Además, este libro resume las ecuaciones fundamentales de la mecánica.

Análisis Tridimensional Estático y Dinámico de Estructuras

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Se requieren conocimientos matemáticos mínimos para comprender plenamente el material presentado en este libro. Sin embargo, es imprescindible una comprensión del comportamiento amiento físico de estructuras. No se requieren conocimientos de programación de computadoras.

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Se presenta un nuevo elemento dde CÁSCARA cuadrilateral con grados de libe libertad de rotación normales, el cual es preciso para placas finas y gruesas, y cáscaras cáscaras. Por lo tanto, se pueden conectar los elementos de cáscara fácilmente a los elementos clásicos de PÓRTICO. Se puede utilizar el elemento SOLIDO tridimensional para modelar tanto líquidos como sólidos.

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El Profesor Wilson posee más de 45 años de experiencia profesional en la Ingeniería Civil, Mecánica y Aeroespacial. Fue Profesor de sidad de Ingeniería Estructural de la Universidad ante el período de California en Berkeley durante 1965 al 1991, y ha publicadoo más de 180 artículos y libros. Sus aportes a la investigación y al desarrollo le han cosechado numerosos premios, incluyendo su elección a la Academia Nacional de Ingeniería en el año 1985.

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Edward L. Wilson, D. Ing.

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e En el año 1961, el Profesor Wilson escribió el primer programa automatizado de computadora de análisis de elementos finitos, y fue quien originó el desarrollo de la serie de programas de C AL , SAP y ETABS. Estos computadora CAL, nocidos por su precisión y programas son conocidos velocidad, y su empleo de algoritmos numéricos muy eficientes y elementos finitos precisos. Durante los últimos diez años, Ed Wilson ha trabajado como Consultor Senior de la CSI en la programación y la documentación de dichos nuevos métodos de análisis estructural computacional. El principal objetivo de este libro es resumir el desarrollo teórico de los elementos finitos y los

Se presenta el análisis dinámico como una extensión lógica del análisis estático donde se agregan fuerzas de inercia y amortiguamiento para satisfacer el equilibrio en cada punto cronológico. El uso de Vectores Dependientes de Carga Ritz (LDR, por sus siglas en inglés) en un análisis dinámico produce resultados mucho más precisos que el empleo de los autovectores dinámicos exactos. El uso de vectores LDR permite que se extienda el método clásico de superposición modal al análisis dinámico no-lineal, utilizando el método de Análisis Rápido No-Lineal (FNA, por sus siglas en inglés). Este nuevo método de análisis dinámico no-lineal permite que estructuras con un número limitado de elementos no-lineales sean analizadas casi en el mismo tiempo de computación que lo que se requiere para un análisis dinámico de la misma estructura. Este libro es de lectur a obligator ia para todo investigador y profesional que trabaja en el campo de la ingeniería estructural moderna.

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Análisis Estático y Dinámico de Estr uctur as Un Enfoque Físico Con Énfasis en Ingeniería Sísmica

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Edwar d L. Wilson

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Profesor Emérito de Ingeniería Estructural Universidad de California en Berkeley

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Traducción

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www.morrisoningenieros.com

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Revisión Técnica

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Ing. Carlos a r los A A. Prato, Ph.D. Profesor Titular Plenario del Departamento de Estructuras Universidad Nacional de Córdoba, Argentina

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n g. F eernando rn Gonzalo Vásquez, Ph.D. Ing. Profesor Asociado Universidad Nacional de Ingeniería, Perú

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Ing. Alberto Guzmán De La Cruz, Ph.D. Coordinador del Area de Estructuras Universidad Politécnica de Puerto Rico, Puerto Rico

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Ing. Emilio Cruz Herasme, M.Sc. Profesor Asociado Universidad Nacional Pedro Henríquez Ureña, República Dominicana

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Derechos Reservados  por Computers and Structures, Inc. Ninguna parte de esta publicación puede ser reproducida o distribuida de ninguna forma o por ningún medio, sin un permiso escrito previo de Computers and Structures, Inc. Copias de esta publicación pueden ser obtenidas de: Computers and Structures, Inc. 1995 University Avenue Berkeley, California 94704 USA Teléfono: (510) 845-2177 Fax: (510) 845-4096

e-mail: [email protected]

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 Derechos Reservados Computers and Structures, Inc., 1996-2008 El logo CSI es marca registrada de Computers and Structures, Inc. SAP90, SAP2000, SAFE, FLOOR y ETABS son marcas registradas de Computers and Structures, Inc. ISBN 0-000000-00-0

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EL ARTE DE UTILIZAR MATERIALES

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LA INGENIERÍA ESTRUCTURAL

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Que Tienen Propiedades Que Sólo lo Pueden Ser Estimadas

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PARA CONSTRUIR ESTRUCTURAS REALES

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Que Sólo Pueden Ser Analizadas Aproximadamente

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QUE SOPORTAN FUERZAS

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Que No son Conocidas con Precisión

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DE MANERA QUE NUESTRA RESPONSABILIDAD CON

Adoptado de un Autor Anónimo

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EL PÚBLIC PÚBLICO O SEA SATISFECHA.

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Prólogo de la Cuarta Edición Esta edición del libro contiene correcciones y adiciones a la edición de Julio del 2000. A juzgar por los comentarios de los lectores, el libro ha sido muy exitoso desde la publicación de la primera edición en 1998. De todas formas, todos los libros técnicos tienen existencia limitada y deben ser modificados y expandidos periódicamente. Ha sido agregado el Capítulo 23 acerca de la interacción fluido-estructura de los tipos de cargas durante terremotos. En este capitulo esta demostrado que el elemento SOLID tridimensional en SAP2000 puede ser utilizado para modelar fluidos interactuando con estructuras sólidas. El elemento incluye el efecto de compresibilidad exacta y masa de los fluidos. Un Pequeño modulo de cortante es utilizado para estabilizar la malla y para sísmica de los aproximar la viscosidad del fluido. Problemas, tales como la respuesta sísm sistemas de embalse de las presas, puedan ahora ser modelados de forma precisa con el programa SAP2000. Por tanto, la necesidad de utilizar programas para objetivos específicos para esta clase de problemas ha sido eliminado. Además, ya no es requerida la adición de aproximación de masa.

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Esta edición puede ser utilizada como un libro de referencia básica por el elemento tecnología y el método numérico utilizado en SAP2000, ETABS y SAFE. De todos practicas que no son cubiertas en modos estos programas contienen muchas opciones pra el libro. Algunos ejemplos de estas opciones son carga incremental por construcción, análisis de pushover, y degradación de la rigidez de los elementos. Muchos de estos temas están disponibles en la pagina web www.csiberkeley.com o www.edwilson.org.

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: r Si usted tiene alguna pregunta teórica po relacionada con el material presentado en este libro me puede contactar a través de correo electrónico en [email protected]. Para preguntas relacionadas docon el uso de los programas de computadoras por favor a contacte a CSI. pr Edward L. Wilson om Agosto 2004 C

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Prólogo de la Tercera Edición Esta edición del libro contiene correcciones y adiciones a la edición de julio del 2000. La mayor parte del material nuevo ha sido agregado en respuesta a las preguntas y comentarios de los usuarios del SAP2000, ETABS, y SAFE. El Capítulo 22 ha sido escrito acerca del empleo directo de cargas sísmicas por desplazamiento absolutos que actúan en la base de la estructura. Varios tipos nuevos de errores numéricos han sido identificados para cargas de desplazamiento absoluto. Primero, la naturaleza fundamental de la carga por desplazamiento absoluto es significativamente diferente a la carga por aceleración Segundo, se en la base empleada tradicionalmente en la ingeniería sísmica. Segundo, requiere un intervalo de integración menor para definir los desplazamiento desplazamientos Tercero se sísmicos y para resolver las ecuaciones del equilibrio dinámico. Tercero, necesita de un número elevado de modos para que la carga de desplazamiento absoluta arroje la misma precisión que la producida cuando una aceleración en la base es utilizada como carga. Cuarto, la regla del 90 por ciento de la masa, no se aplica para la carga de desplazamiento absoluto.. Finalmente el amortiguamiento modal efectivo para cargas por desplazamiento es mayor que cuando se emplea la carga por aceleración.

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Para reducir los errores asociados a la carga por desplazamiento, se ha introducido tulo 13 un método de orden superior de integración basado en una en el capítulo variación cúbica de las cargas con respecto al lapso lapso. Adicionalmente, los factores por participación estático y dinámico han sido defi definidos para permitir al ingeniero estructural minimizar los errores asociados con cargas por desplazamiento. Adicionalmente el capítulo 19 de amortiguamiento viscoso ha sido ampliado para ilustrar el efecto físico del amortiguamiento modal en los resultados del análisis dinámico.

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Ell Apéndice H, acerca de la velocidad de las computadoras personales modernas ha sido actualizado actualizado. Hoy es posible comprar una computadora personal por aproximadamente $1,500.00 que es 25 veces más rápida que la CRAY de $10,000,000 producida en 1974.

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Otras adiciones y modificaciones han sido realizadas en esta impresión. Por favor envíe sus comentarios y preguntas a [email protected].

Edward L. Wilson Agosto 2000

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Comentarios Personales

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Mi profesor de física de primer año de la universidad advertía dogmáticamente a la clase “no usen una ecuación que no puedan demostrar”. El mismo instructor una vez declaró “Si una persona tiene cinco minutos para resolver un problema del cual dependiera su vida, el individuo debe de emplear tres minutos leyendo y entendiendo claramente el problema”. En los últimos cuarenta años esta simple observación práctica ha guiado mi trabajo y espero que la misma filosofía haya sido transmitida a mis estudiantes. Con respecto a la ingeniería estructural moderna uno puede reformular esas observaciones como “no utilicen un programa de análisis estructural a menos que usted entienda completamente la teoría y aproximaciones contenidas en el programa” y “no haga un modelo de computadora hasta que las cargas, propiedades de los materiales y condiciones de frontera no estén claramente definidos.”

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Por lo tanto, el propósito principal de este libro es presentar los antecedentes teóricos necesarios de manera que el usuario de programas de computadoras para el análisis estructural pueda entender las aproximaciones básicas implementadas dentro del programa, verifique y asuma su responsabilidad profesional de los resultados. Se asumee que el lector tiene conocimientos de estática, mecánica de só sólidos y análisis estructural elemental. El nivel de conocimientos esperado es igual al de un individuo con una licenciatura en Ingeniería Civil o Mecánica. Notación matricial y vectorial es son definidos en los apéndices y son usados profusamente. profu elementales Antecedentes en notación tensorial y variables complejas no son requeridos.

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desarrolladas usando un enfoque físico puesto que este Todas las ecuaciones son desarrolladas estudiantes y profesionales de la ingeniería, y no para mis libro está escrito para estudiantes colegas académicos. El análisis estructural tridimensional es relativamente simple debido a la alta velocidad de la computadora moderna. Por lo tanto, todas las presenta presen tadas das en forma tridi ecuaciones son presentadas tridimensional, y se incluyen automáticamente las propiedades de los materiales anisotrópicos. No se requiere requieren antecedentes de programación de computadoras para utilizar un programa de computadora inteligentemente. mente.. Sin embargo, algoritmos numéricos detallados han sido dados para mente que el lector entienda completamente los métodos computacionales que se resumen en este libro. Los apéndices contienen un sumario elemental de los métodos numéricos usados; sin embargo, no debería ser necesario emplear tiempo adicional leyendo artículos de investigación para entender la teoría presentada en este libro. El autor ha desarrollado y publicado muchas técnicas de computación para el análisis estático y dinámico de estructuras. Ha sido motivo de satisfacción personal el hecho de que muchos profesionales de la ingeniería hayan encontrado útiles estos métodos de computación. Por lo tanto, una razón por la cual compilar este libro teórico y de aplicación

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es consolidar en una publicación dicha investigación y desarrollo. Adicionalmente, el reciente desarrollado análisis no lineal rápido (FNA), y otros métodos numéricos son presentados en detalle por primera vez. Las leyes fundamentales de la física, que son la base del análisis estático y dinámico de estructuras, tienen más de 100 años de edad. Por lo tanto, cualquiera que crea que haya descubierto un principio nuevo de mecánica, es víctima de su propia ignorancia. Este libro contiene trucos computacionales que el autor ha considerado efectivos para el desarrollo de programas de análisis estructural.

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El análisis estático y dinámico ha sido automatizado a un alto grado por la existencia de computadoras personales económicas. Sin embargo,, el campo de la ingeniería estructural, perto de programas en mi opinión, nunca será automatizado. La idea de que un sistema experto de computadoras con inteligencia artificial reemplazará la creatividad humana es un insulto a todos los ingenieros estructurales.

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El material en este libro ha evolucionado a través de lo últimos 35 años con la ayuda profesionales. Sus contribuciones son de mis antiguos estudiantes y colegas profesionales. ah Iqbal Subarwardy, Robert Morris, Syed Hasanain, reconocidas. Ashraf Habibullah Dolly Gurola, Marilyn Wilkes y Randy Corson de Computers and Structures, Inc., merecen un reconocimiento especial. Adicionalmente, me gustaría agradecer al gran número de ingenieros estructurales que han usado la serie de programas TABS y SAP. Ellos han provisto la motivación para esta publicación.

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edici de Análisis Dinámico Tridimensional de El material presentado en la primera edición Estructuras está incluido y actualizado en este libro. Espero ansiosamente por comentarios y preguntas adicionales de los lectores en orden de expandir el material en futuras ediciones de este libro.

Edward L. Wilson Agosto 2004

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CONTENIDO Introducción

1.2

Materiales Anisotrópicos

1.3

les en Programas de Computadora Uso de las Propiedades de los Materiales

1.4

Materiales Ortotrópicos

1.5

Materiales Isotrópicos

1.6

Deformación en el Plano en Materiales Isotrópicos picos

1.7

Esfuerzo en el Plano en Materiales Isotrópicos

1.8

Propiedades Materiales Parecidos a Fluidos

1.9

Velocidades de Onda de Cortante y Compresión

1.10

Propiedades de Materiales Axisimétrico Axisimétricoss

1.11

Relaciones de Fuerza-Deformación Deformación

1.12

Resumen

1.13

Referencias

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Equilibrio y Compatibilidad ibilida Introducción

2.2

Ecuaciones Fundamentales de Equilibrio

2.3

Resultantes de Esfuerzo - Fuerzas y Momentos Resultantes

2.4

Requisitos de Compatibilidad

2.5

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2.1

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2.

Propiedades de los Materiales

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