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CÁLCULO DINÁMICO DE ESTRUCTURAS Curso 2013/14

Presentación: Cálculo dinámico de estructuras Quinto curso, Optativa Objetivos:  Dotar al alumno de los conocimientos teórico y prácticos necesario para el análisis

dinámico estructural, con especial hincapié en el análisis sísmico  Desarrollar las cargas dinámicas más habituales y los métodos de cálculo  Formar al alumno en el uso e interpretación de programas de cálculo dinámico de estructuras  Introducir el diseño sísmico mediante el estudio de casos prácticos  Conocimiento y aplicación de la normativa vigente  Iniciación al análisis experimental modal Organización  Tipos de clases: Teóricas:

22 horas

Prácticas con ejercicios teóricos :

10 horas

Prácticas con programas:

22 horas

Prácticas experimentales:

2 horas

Conferencias:

2 horas

Presentaciones trabajos:

2 horas

Evaluación: Realización y presentación de dos prácticas a lo largo del cuatrimestre Profesores: Luis E. Romera. Ext. 1404, [email protected] Arturo Fontán. Ext. 1478, [email protected]

Presentación: Cálculo dinámico de estructuras Temario 1

Introducción y conceptos básicos

2

Respuesta frente a vibraciones libres

3

Respuesta frente a cargas armónicas y periódicas

4

Respuesta frente a cargas incrementales, pulsantes y generales

5

Acciones sísmicas y respuesta estructural

6

Obtención numérica de la respuesta dinámica en estructuras con comportamiento lineal y no lineal

7

Introducción al análisis dinámico con el programa SAP 2000

8

Estructuras con masa y elasticidad distribuidas

9

Sistemas con varios grados de libertad: Formulación y ecuaciones del movimiento

10 Frecuencias naturales y modos de vibración 11 El amortiguamiento g en las estructuras 12 Análisis lineal de sistemas con varios grados de libertad 13 Análisis dinámico mediante el MEF 14 Respuesta sísmica de sistemas con varios grados de libertad 15 Diseño antisísmico 16 Problemas de interacción 17 Normativas, ejemplos de aplicación y análisis dinámico experimental

Presentación: Cálculo dinámico de estructuras Temario

Tema 1.

INTRODUCCIÓN Y CONCEPTOS FUNDAMENTALES (1T) Tipos y clasificaciones de las acciones dinámicas. dinámicas Respuesta estática y dinámica de un medio continuo deformable. Sistemas continuos y discretos: discretización de una estructura. Fuerzas elásticas, de inercia y de amortiguamiento. Concepto de grado de libertad dinámico. Métodos de obtención y solución de las ecuaciones diferenciales del movimiento. Vibraciones libres, forzadas, amortiguadas y no amortiguadas.

SISTEMAS DE UN GRADO DE LIBERTAD Tema 2.

RESPUESTA FRENTE A VIBRACIONES LIBRES (2T, 2P) Vibración libre no amortiguada. Frecuencia y periodo natural. Tipos de amortiguamiento. Vibración libre con amortiguamiento viscoso. Sistemas sobreamortiguados, críticamente amortiguados y subamortiguados. Medida y valores del factor de amortiguamiento en las estructuras. Energía en la vibración libre. Vibración libre con amortiguamiento por fricción.

Tema 3.

RESPUESTA FRENTE A CARGAS ARMÓNICAS Y PERIÓDICAS (2T, 2P) Excitación armónica no amortiguada y amortiguada. Respuesta estacionaria y transitoria. Resonancia. Fuerzas transmitidas a la base. Excitación de la base y aislamiento de vibraciones. Amortiguamiento viscoso equivalente y amortiguamiento estructural. Medidas experimentales de frecuencias y ratios de amortiguación. Series de Fourier, representación de cargas genéricas y respuesta en frecuencias. Acelerómetros.

Tema 4.

RESPUESTA FRENTE A CARGAS INCREMENTALES, PULSANTES Y GENERALES (1T, 1P) Respuesta frente a cargas especiales: escalón, rampa y bilineal. Espectros de respuesta. Respuesta frente a cargas breves: pulso rectangular, senoidal y triangular. Respuesta aproximada frente a pulsos cortos. Respuesta al impulso unitario. Respuesta frente a cargas generales: Integral de Duhamel.

Tema 5.

ACCIONES SÍSMICAS Y RESPUESTA ESTRUCTURAL (2T, 2P) Nociones de sismología: tectónica de placas. Foco y epicentro. Tipos de sismos. Zonas sísmicas. Intensidad sísmica y sismicidad. Tipos de ondas sísmicas. Sismógrafos y acelerogramas. Escalas sísmicas y magnitud. Mapas de riesgo sísmico. Respuesta lineal en el tiempo de un sistema de un grado de libertad. Espectro de respuesta de un sismo y características. Espectros de diseño. Normas NCSE-02, EAE, CTE y EC-8. Efectos en las estructuras: descripción tipológica y en función del tipo de material. Reglas de diseño. Sismos históricos en España Sismos de México (1985) y Kobe (1995). España. (1995)

Tema 6.

OBTENCIÓN NUMÉRICA DE LA RESPUESTA DINÁMICA EN SISTEMAS LINEALES Y NO LINEALES (1T) Métodos de integración temporal paso a paso. Sistemas lineales: métodos de interpolación de la excitación, método de diferencias centrales, método de Newmark. Estabilidad y error de la solución. Sistemas no lienales: método de diferencias centrales y método de Newmark.

Tema 7.

INTRODUCCIÓN AL ANÁLISIS DINÁMICO CON EL PROGRAMA SAP2000 (5P) Características. Módulos de análisis dinámico: análisis armónico, en el tiempo y espectral. Modelización de las cargas dinámicas y tipos de cargas consideradas. Modelización de la masa: masas distribuidas y concentradas

Presentación: Cálculo dinámico de estructuras Temario

SISTEMAS CONTINUOS Tema 8.

ESTRUCTURAS CON MASA Y ELASTICIDAD DISTRIBUIDAS (1T, 1P) Ecuaciones de equilibrio en estructuras 1D con masa distribuida. Vibraciones libres: frecuencias y modos naturales de vibración. Casos de viga biapoyada y viga empotrada-libre. Ortogonalidad modal. Método de Rayleigh. Viga biapoyada con carga móvil a velocidad constante. Vibración de placas delgadas.

SISTEMAS DE VARIOS GRADOS DE LIBERTAD Tema 9.

FORMULACIÓN DEL PROBLEMA Y ECUACIONES DEL MOVIMIENTO (1T, 1P) Ecuaciones del movimiento en estructuras de dos GDL y de múltiples GDL. Matrices de rigidez elástica, de masas y de amortiguamiento. Condensación estática. Excitación sísmica, uniforme o múltiple. Aplicación a distintos sistemas estructurales. Métodos de solución numéricos.

Tema 10.

FRECUENCIAS NATURALES Y MODOS DE VIBRACIÓN (2T, 1P) Vibración libre no amortiguada: autovalores, frecuencias naturales y modos de vibración, matrices modal, espectral espec a y de masas asas normalizada, o a ada, ortogonalidad o ogo a dad modal, oda , matrices a ces de rígidez g de y masas asas generalizadas, ge e a adas, teorema eo e a de expansión y respuesta en vibración libre no amortiguada. Vibración libre amortiguada: amortiguamiento clásico y no clásico, respuesta con amortiguamiento clásico. Métodos de obtención de los modos de vibración: problema estándar, cociente de Rayleigh, método de iteración inversa y escalado. Vectores de Ritz.

Tema 11.

EL AMORTIGUAMIENTO EN LAS ESTRUCTURAS (1T, 1P) Medidas experimentales. Matrices de amortiguación clásicas: Amortiguación de Rayleigh, Caughey, y superposición de matrices de amortiguación modal. modal Matriz de amortiguación no clásica. clásica

Tema 12.

ANÁLISIS LINEAL DE SISTEMAS CON VARIOS GRADOS DE LIBERTAD (1T, 3P) Análisis modal. Ecuaciones modales en estructuras no amortiguadas. Ecuaciones modales en sistemas amortiguados. Respuesta por superposición modal. Contribuciones modales. Convergencia de la solución. Método de corrección estática. Análisis modal experimental.

Tema 13.

ANÁLISIS DINÁMICO CON EL MEF. (1T, 4P) Aplicación del MEF en problemas dinámicos. Discretización espacial y temporal. Ecuaciones de equilibrio. Matrices de masas concentradas y consistentes. Formulación en problemas no lineales. SAP2000. Ejemplos de aplicación.

Tema 14.

RESPUESTA SÍSMICA DE SISTEMAS CON VARIOS GRADOS DE LIBERTAD (2T, 4P) Análisis modal. Factores de participación de masas. Respuesta en el tiempo. Respuesta espectral. Reglas de combinación modal: ABSSUM, ABSSUM SRSS, SRSS CQC. CQC Respuesta Resp esta no lineal. lineal Ductilidad D ctilidad y daño. daño Espectros inelásticos de diseño. Norma NCSE-02, EAE, CTE y EC-8. Ejemplos de aplicación: edificación, presas, pasarelas y puentes.

Tema 15.

DISEÑO ANTISÍSMICO (1T, 1P) Vulnerabilidad y diseños antisísmicos en edificios históricos. Sistemas de control pasivos y activos. Ejemplos de diseño antisísmico de estructuras.

Tema 16.

PROBLEMAS DE INTERACCIÓN ((2T,, 2P)) Interacción sísmica suelo-estructura: modelos simples y de elementos finitos, ecuaciones acopladas del movimiento. Interacción fluido-estructura en presas y depósitos: modelos de masas añadidas, modelos completos de elementos finitos. Aeroelasticidad: efectos del viento. Vibraciones en pasarelas por peatones.

Tema 17.

NORMATIVAS, EJEMPLOS DE APLICACIÓN Y ANÁLISIS EXPERIMENTAL (1T, 4P) Normas NCSE-02, NCSP-07, EC-8. Aplicaciones en edificación y puentes.

Presentación: Cálculo dinámico de estructuras Bibliografía Códigos y normas: - NCSR-02: Norma de Construcción Sismorresistente. Parte general y de edificación. Ministerio de Fomento. - NCSP-07: Norma de Construcción Sismorresistente: Puentes. Ministerio de Fomento. sismorresistentes Reglas generales. generales Acciones sísmicas y requisitos generales de - EUROCODIGO 8 (1998): Disposiciones para el proyecto de estructuras sismorresistentes. las estructuras. Parte 1.1. AENOR. Libros: - Dynamic of Structures. Theory and Applications to Earthquake Engineering. Chopra, Anil K. Prentice Hall, 1995. - Structural Dynamics. An Introduction to Computer Methods. Craig, Roy R. John Wiley, 1981. - Structural Dynamics. Theory and Computations. Paz, Mario. Chapman, 1997. - The Finite Element Method. Linear Static and Dynamic Finite Element Analysis. Hughes, Thomas J.R.; Prentice Hall, 1987. - Mechanical vibrations. Rao, Singiresu S.; 1995 - Engineering Vibration. Inman J.; Prentice Hall, 2001 - Structural Dynamics for Structural Engineers. Gary C. Hart, Kevin Wong. John Wiley, 2000. - Vibrations of solids and structures under moving loads. Fryba L. Thomas Telford Ltd; 1999 - Arquitectura sísmica: Prevención y rehabilitación. A. Bahamón et al. Barcelona, Loft Publications. 2000. g sísmico en el diseño de edificios. f Barbat A.H. Cuadernos Técnicos 3; 1998 - El riesgo - Estructuras sometidas a acciones sísmicas. Cálculo por ordenador. Alex H. Barbat y Juan Miguel Canet. CIMNE. 1994. - Estructuras sometidas a acciones dinámicas. Ed. E. Car, F. López y S. Oller. CIMNE. 2000 - ITEA; Programa europeo de formación en cálculo y diseño de la estructura de acero. Tomo 21: Diseño sísmico. - Modal Testing: Theory, Practice and application. D.J. Ewins. Research Studies Pr. 2000 - Annotated Slide Collection. Earthquake Engineering Research Institute. EERI, 1997 - Sap90, Saplot, Saptime & Sapspec, computer software for structural and earthquake engineering, User Manuals. Computers and Structures Inc. Wilson E..L. & Habibullah A. 1990. p Integrated g Software f ffor Structural Analysis y and Design. g Analysis y Reference f Manual. CSI, Berkeley, y USA 2002. - Sap2000. - Three-Dimensional Static and Dynamic Analysis of Structures. A Physical Approach with Emphasis on Earthquake Engineering. Edward L. Wilson, Professor Emeritus of Structural Engineering. University of California at Berkeley. 2002.

Presentación: Cálculo dinámico de estructuras Direcciones web www.geo.ign.es Instituto Geográfico Nacional. www.ecgs.lu European Center for Geodynamics and Seismology http://www.emsc-csem.org European-Mediterranean Sismological Center http://www.orfeus-eu.org/ Observatories and Research Facilities for European Seismology www.eeri.org Earthquake Engineering Research Institute (USA) http://nisee.berkeley.edu National Inf. Service for Earthquake Eng. (USA) http://www.aeis-sismica.es/ Asociación Española de Ingeniería Sísmica htt // http://nsmp.wr.usgs.gov/ / US Geological G l i l Survey. S N ti l Strong-motion National. St ti project j t http://www.bosai.go.jp/e/ NIED National Research Institute for Earth Science and Disaster Prevention www.earthquakeprotection.com EPS (Earthquake Protection Systems) http://www.alga.it/en http://www maurer-soehne es/ http://www.maurer-soehne.es/

Revistas International Journal of Structural Stability and Dynamics International journal of earthquake engineering and structural dynamics Journal of wind engineering and industrial aerodynamics Structural Design of Tall Buildings Advances in Structural Engineering Journal of bridge engineering Journal of computing in civil engineering J Journal l off structural t t l engineering i i Nonlinear analysis