Estructura 3D

El módulo Estructura 3D sirve para armar un edificio de marcos de acero y muros por ejes y niveles (o importarlo de ETABS), cargarlo, analizarlo (en segundo orden con el análisis directo de AISC 360-22, modal y espectral), diseñar sus miembros y sacar de él cada conexión con sus fuerzas y los planos de la estructura con sus detalles. Se abre desde Nuevo → Estructura 3D, desde la pantalla de inicio o con Ctrl+K «Estructura 3D».

Las bases de cálculo (de dónde sale cada fórmula y cómo se comprobó) están en la guía técnica: capítulos Fundamentos teóricos y Estructura 3D (docs/teoria/fundamentos.md y docs/teoria/marcos-3d.md).

1. La pantalla#

El módulo ocupa toda la ventana. Arriba, una sola barra:

Debajo, la cinta del paso abierto: botones grandes para lo que más se usa y chicos apilados para lo demás, con el nombre del grupo abajo. A la derecha de la cinta, Siguiente → lleva al paso que sigue.

El lienzo 3D ocupa todo lo demás. Los paneles laterales solo salen cuando hacen falta:

• Izquierda: en Definir y en Cargas siempre (es su contenido); en Modelar, solo si abres Ejes y niveles o Perfiles (✕ lo cierra; al tomar una herramienta de dibujo se cierra solo).
• Derecha: lo que elegiste (un miembro, varios, un nudo, una zona) y, sin nada elegido, el resumen del análisis (paso 4), el resumen del diseño (paso 5) o la lista de conexiones (paso 6).

Abajo, la línea de datos: nudos, miembros, peso sísmico W, cortante basal y deriva máxima del sismo estático.

2. Modelar#

Plantilla (botón grande): edificio, nave o mezanine con crujías, claros, niveles y alturas. Reemplaza el modelo (se deshace).

Ejes y niveles abre dos tablas:

• Ejes en X / en Y: posición desde el primer eje y crujía (separación al siguiente); las dos se editan. El botón entre dos ejes agrega uno intermedio (A.1, 1.1) a la mitad; los demás conservan su nombre, así que cargas, conexiones y detalles siguen ligados. Las vigas que cruzan se parten y cada mitad conserva su perfil, articulaciones y cargas. «Eje al final» agrega la siguiente letra o número.
• Niveles: nombre, elevación y altura del entrepiso. «Nivel debajo» parte el entrepiso; quitar un nivel pasa su altura al de arriba, de modo que las elevaciones de los demás no cambian.

Cada cambio deja una nota arriba del lienzo con lo que hizo (por ejemplo, cuántas vigas se partieron o qué se quitó).

Perfiles: perfil de columnas y su giro (peralte en X o en Y), bases empotradas o articuladas, vigas en X y en Y con marco a momento o articulado por dirección, perfil y lista de contravientos (eje, crujía, tipo X, V invertida, excéntrico con eslabón —largo e en cm— o diagonal) y miembros dibujados.

Dibujar (Viga, Columna, Diagonal): clic en un punto y en otro. El imán toma nudos y puntos medios; un globo dice qué punto es y si está alineado con un eje o un nivel. Las vigas se encadenan; Esc termina.

Modificar: Apoyo (empotrado → articulado → libre en un nudo), Articular (un miembro: articulado ↔ continuo) y Quitar.

Seleccionar: clic = uno; Mayús+clic suma o quita; Mayús+arrastrar = ventana (de izquierda a derecha, lo que queda dentro; de derecha a izquierda, lo que cruza). Todo (Ctrl+A), Iguales (mismo tipo y perfil) y Filtro (por nivel, eje, tipo y sección). Con varios elegidos, el panel derecho deja cambiarles el perfil, los extremos, copiarlos a otros niveles, cortar columnas hasta un nivel (o dejar el cruce vacío: plantas en L), ponerles carga o quitarlos. Si al cortar columnas se van contravientos, la nota lo dice: revisa la estabilidad lateral.

Clic derecho: la ficha del elemento#

Clic derecho sobre una viga, columna, diagonal, muro, losa o nudo abre su información, como la de ETABS pero moderna: arriba el nivel, la etiqueta y el nombre único; pestañas Geometría · Asignaciones · Cargas (con el número de datos asignados); un renglón por dato que se despliega (› liberaciones por GDL, modificadores, propiedades del material); lo que no está en su valor por omisión va con punto y negritas; abajo, la explicación del renglón elegido. Lo editable se edita ahí: sección, liberaciones (en los miembros dibujados o importados, cada GDL), propiedad del muro, pila y dintel, restricciones de un nudo libre. Los vínculos ↗ llevan al cuadro donde se define: el material, la propiedad, la sección o las cargas de ese miembro o nudo.

3. Definir#

Secciones: cada perfil del modelo con su color, número de miembros, kilos y acero. Clic = elegir sus miembros; ↦ se lo asigna a lo elegido; ⇄ lo reemplaza en todo el modelo. Abajo se agregan perfiles del catálogo AISC v15.

Materiales: acero, concreto y mampostería, cada uno con de dónde sale su E:

Cada tarjeta muestra la sustitución, G = E/2(1 + ν), γ, la norma y si viene de ETABS, de la biblioteca o es tuyo. Con una regla, cambiar f′c o fm cambia E. Las unidades del cuadro se eligen ahí (kg/cm², MPa, ksi, tonf/m²; kg/m³, kN/m³, lb/ft³). Un E fuera de lo usual para su clase sale en naranja con arreglos de un clic (por ejemplo, «estaba en kgf/m²: leerlo como kg/cm²» o «800·fm»). La biblioteca trae aceros de la base de datos, concretos de 200 a 350 kg/cm² y block y tabique. Abajo sigue el acero por tipo de miembro.

Muros y losas: propiedades con espesor, material, modelo y modificadores de rigidez:

• Delgado (Kirchhoff, Shell-Thin): sin deformación por cortante transversal; lo usual en muros y losas.
• Grueso (Mindlin, Shell-Thick): con ella; losas de cimentación, muros cortos y gruesos.
• Membrana: solo su plano. Una losa de membrana reparte su carga a las vigas (como en ETABS); una delgada o gruesa entra al análisis como cascarón y su carga va a la malla.
• Modificadores f11, f22, f12 (membrana), m11, m22, m12 (flexión), v13, v23 (cortante), con los valores típicos explicados (muro agrietado f22 = 0.7 y m = 0.1–0.35; mampostería m = 0.01).

Desde un material, ↗ lleva a las propiedades que lo usan; desde una propiedad, ↗ a su material.

4. Cargas#

Arriba se elige el patrón (CM, CV, CVa, Sx, Sy, Vx, Vy). Las cargas nuevas van a ese patrón.

• Cargas (panel): carga muerta, viva y viva instantánea por área, general, de azotea y propia de cada nivel (kg/m²); se reparten a las vigas por ancho tributario, la mitad a cada dirección. Debajo, la lista de todo lo que pusiste a mano, agrupado («× n» cuando es la misma carga en muchos miembros).
• Lineal: toca un miembro; uniforme o trapecial, en todo el largo o en un tramo, hacia abajo o en X/Y.
• Nudo: toca un nudo; P hacia abajo y, si quieres, Fx, Fy, Mx, My, Mz.
• Zona: dos esquinas en un nivel; carga por área que se suma a la del nivel.
• Patrones: presión de viento (ya calculada con tu norma) y el sismo:
  • Estático: coeficiente c de cada dirección; fuerzas ∝ W·h en cada nivel, aplicadas en el centro de masa.
  • Espectral: se edita en la ventana Espectro de respuesta («Editar espectro…» o clic en la gráfica chica), con las partes de la función y del caso espectral de ETABS:
    • Función: ASCE 7-16 desde Ss, S1 y la clase de sitio (Fa y Fv de las tablas, o los tuyos donde la tabla manda a §11.4.8), ASCE 7-22 con SDS, SD1 y TL, paramétrico a0, c, Ta, Tb, r (CFE-93, NTC-04 y reglamentos estatales) o por puntos (pega de Excel la tabla T–Sa del SASID, del multiperiodo de USGS o de tu norma). Los valores calculados (Fa, Fv, SMS, SM1, SDS, SD1, T0, Ts) se ven abajo; «Convertir a puntos» la deja editable.
    • Reducción: Ie y R (y Q con Q′(T) en el paramétrico).
    • Caso espectral: combinación modal CQC, SRSS o ABS; ζ para la CQC; número de modos; escala al cortante estático (1.0 = ASCE 7-22 §12.9.1.4.1; 0 = sin escalar); excentricidad accidental.
    • Desplazamientos: Cd y distorsión permitida.
    • La gráfica grande marca T0, Ts y TL (o Ta y Tb) y el periodo de cada modo con más del 5 % de masa (rótulo completo del fundamental de cada dirección); al pasar el cursor da T, Sa elástico y Sa de diseño. Se ve el espectro de diseño o el elástico, hasta 2, 4, 6 o 10 s.
    • Abajo, la tabla de modos (T, dirección, masas efectivas y acumuladas, Sa) y, por dirección, el cortante modal, el mínimo, la escala, el de diseño y la deriva amplificada contra la permitida.
  • Excentricidad accidental (estático y espectral): 5 % por omisión (ASCE; la NTC pide 10 %). Cada combinación con sismo va con +e y −e; en la tabla de combinaciones la columna «e» lo cambia.
• Combinaciones: tabla con un renglón por combinación y una columna por patrón. La norma (NTC A/B, ASCE LRFD/ASD, NSR-10, E.090) genera el juego; puedes editar factores, apagar, duplicar, cambiar a servicio y copiar a Excel. Al editar, la lista pasa a ser propia; «↺ De la norma» la regresa.

4b. Calcular#

El análisis no corre solo (en modelos grandes tarda segundos y se haría lento): corre cuando pulsas ▶ Calcular o F5, en otro hilo, y mientras tanto sigues modelando. Sin calcular, las pestañas Análisis, Diseño, Conexiones y Planos piden calcular; si cambiaste algo que no cambia la geometría, muestran los resultados anteriores con el aviso «desactualizados».

casos ▾ elige qué se calcula:

• Calcular automáticamente: recalcula cada vez que cambia el modelo (útil en modelos chicos).
• Análisis modal: periodos y formas modales; con Valores propios o Ritz y el número de modos o vectores. Ritz (vectores dependientes de la carga, como ETABS) junta la masa que mueve el sismo con muchos menos vectores cuando hay modos locales (muros de mampostería fuera de su plano, vigas sueltas). Si la masa participante no llega a 90 %, Análisis lo avisa.
• Combinaciones: casilla por combinación; todas, ninguna o solo las de resistencia. Las apagadas no se corren ni se diseñan; los patrones siempre se calculan.

5. Análisis#

Resultado: deformada, momento, cortante y axial. Combinación: cualquiera o la envolvente de las de resistencia.

Método (grupo de la cinta):

P-δ (encendido por omisión) agrega la curvatura entre los extremos de cada miembro; apagado queda solo P-Δ.

Con el análisis directo, cada combinación de solo gravedad sale cuatro veces, con las cargas ficticias en +X, −X, +Y y −Y («1.3CM+1.5CV +Nx»). En las que tienen sismo o viento se agregan solo si Δ2/Δ1 > 1.7.

Sin nada elegido, el panel derecho muestra:

• Amplificación Δ2/Δ1: deriva de segundo orden entre la de primer orden, la mayor de los entrepisos. Verde hasta 1.5, naranja arriba (efectos de segundo orden importantes), rojo si no converge.
• Iteraciones, τb menor y dirección de las ficticias.

Modos (botón grande en Resultado): la tabla de modos (periodo, masa efectiva en X y en Y y la acumulada; clic en un renglón dibuja ese modo) y, con sismo espectral, el cortante modal y estático por dirección, la escala aplicada y por entrepiso la deriva CQC y la fuerza equivalente. Mientras ves los modos, la combinación y el método se esconden.

• Por entrepiso: Δ/h y Δ2/Δ1 en X y en Y de esa combinación.

Si una combinación pasa de la carga crítica, sale un aviso rojo («la estructura se pandea con esta combinación») con el nudo donde se pierde la rigidez: hay que rigidizar (perfil, contraviento, empotrar bases).

Clic en un miembro: perfil, kilos, extremos y fuerzas máximas (N, V, M en los dos ejes) de la combinación o la envolvente.

Pilas y dinteles: con muros etiquetados (de ETABS o en la ficha del muro), el panel derecho lista P, V2 y M3 de cada pila abajo y arriba de cada nivel y de cada dintel a la izquierda y la derecha (V3, M2 y T al pasar el cursor), como ETABS: la resultante de las fuerzas internas de los cascarones en el corte, en los ejes de la pila (1 vertical, 2 en el plano del muro, 3 normal). P < 0 es compresión; M3 es la flexión en el plano.

5b. Diseño de miembros#

Cada viga, columna y diagonal se revisa con AISC 360-16, con las mismas revisiones de la plantilla «Elemento» (comprobadas contra el Companion de AISC v15.1): tensión, compresión, flexión en los dos ejes con pandeo lateral, cortante, torsión cuando la hay y la interacción H1, a lo largo de todo el miembro y en cada combinación de resistencia.

• Utilización: el 3D pinta cada miembro con lo que más trabaja (verde claro < 50 %, verde 50–80 %, verde oscuro 80–95 %, naranja hasta 100 %, rojo si no cumple) y rotula los 12 que más trabajan. A la derecha, cuántos cumplen, el máximo, las toneladas de acero y la lista de los que más trabajan.
• Clic en un miembro: lo que rige, la combinación, el perfil (se cambia ahí), las longitudes Lc x, Lc y, Lb del patín superior e inferior, la flecha de servicio de las vigas contra L/240 y cada revisión con su cálculo paso a paso.
• Aligerar / Reforzar a …: el perfil más ligero de su serie (W del mismo peralte nominal, PTR de las mismas medidas) que cumple con las fuerzas de este análisis, con su % y los kg/m de diferencia; si ninguno de la serie alcanza, el más ligero de la familia. Con varios que no cumplen, Ajustar los n que no cumplen los cambia todos. Al cambiar un perfil cambian las rigideces y el análisis se repite solo: revisa de nuevo.
• Tabla: todos los miembros con perfil, longitudes, %, lo que rige, combinación y flecha; ordena, filtra por tipo o por > 95 % y copia a Excel.
• Supuestos: K = 1 (lo permite el análisis directo; con otro método se avisa). Los extremos de cada miembro y cada nudo intermedio donde llega otro miembro lo arriostran en los dos ejes y en sus dos patines. Losa arriostra (por omisión sí) agrega el eje débil y el patín superior de las vigas en todo su largo; el inferior queda libre entre nudos (rige con momento negativo). Las diagonales en X no se ligan en su cruce (largo completo).
• Extremos y conexiones (en el miembro elegido): cada extremo se pone Continuo (conexión a momento) o Articulado (a cortante) y el modelo se vuelve a analizar; debajo, la conexión detectada en ese nudo (y cuántas otras plantillas lo resuelven): clic la abre en Conexiones.
• Memoria del miembro: crea (o actualiza) un «Elemento» del proyecto con el perfil, longitudes, arriostramientos y el diagrama de cada combinación, y lo abre: la memoria paso a paso, sus diagramas y el reporte, con la misma utilización.
• Memoria (cinta): la memoria de toda la estructura, como la de ETABS pero para revisarse: resumen, geometría, secciones con propiedades y demandas máximas (Pc, Pt, Mx, My, V), cargas por nivel, sismo y modos, combinaciones, análisis y reacciones, derivas y el diseño de cada miembro. Imprimir / PDF.

5c. Derivas (Análisis → Derivas, o clic en Δ/h abajo)#

Por nivel y dirección: deriva elástica Δe (sismo + torsión accidental, el signo que rige), deriva de diseño Δ = Δe·Cd/Ie contra el límite Δ/h de la ventana del sismo, irregularidad torsional δmáx/δprom de los dos extremos de la planta (> 1.2 tipo 1a, > 1.4 tipo 1b, con Ax), estabilidad θ = Px·Δ·Ie/(Vx·h·Cd) contra θmáx, y la masa modal participante; con gráfica de Δ/h por nivel. Parámetros de sismo abre Cd, Ie, el límite y la excentricidad.

5d. Vista, ventanas y operaciones de modelado#

A la derecha de la cinta, en todas las pestañas, van dos grupos fijos (así la cinta no deja espacio en blanco y el lienzo no lleva barras encima):

• Vista: 3D · Planta · Alzado X · Alzado Y (Alt+1 … Alt+4), Sólido · Barras (B alterna: el modelo analítico de nudo a nudo, como la vista de líneas de ETABS), Por sección (un color por perfil) y Caja de corte con A lo elegido, Toda y Corte por eje…. Los ejes llevan su burbuja y los niveles su símbolo con nombre y elevación, como en Revit (en 3D abrazan la estructura por detrás y siguen al girar); cotas en cadena entre ejes y niveles.
• Ventanas: abre ventanas flotantes que se toman de su barra y se mueven a cualquier lugar del lienzo; varias a la vez, se pliegan (doble clic o _) y se cierran (×). Las que no has movido se acomodan solas sin encimarse.
  • Propiedades: lo elegido (perfil, extremos, cargas, copiar a niveles) en una ventana; cerrada, vuelve a la derecha.
  • Visibilidad: ejes, niveles, cotas, número de nudos, rótulo de miembros (nada, sección o número), presentación (sólido o barras) y color (por tipo o por sección).
  • Modelado: Copiar (ΔX, ΔY, ΔZ en m y número de copias = arreglo; botones de una crujía o un nivel), Mover, Espejo (plano X = c o Y = c, sobre un eje o a una distancia, con o sin copia), Girar (ángulo alrededor de un eje vertical, centro escrito o el de lo elegido, con copias) y Dividir (partes iguales). Se aplica a lo elegido y se deshace con Ctrl+Z. Lo nuevo son nudos libres y miembros dibujados: un nudo que cae sobre otro es el mismo y no se duplica un miembro que ya está entre esos dos nudos. Cada copia lleva perfil, acero, giro, articulaciones, sus cargas y el apoyo de sus nudos de la base. Los mismos botones están en Modificar de la cinta.
  • Opciones: imán a nudos, puntos medios y cruces de ejes de cada nivel (crea el nudo al usarlo); encadenar vigas y diagonales; vigas articuladas o continuas al dibujar; perfil de viga, columna y diagonal al dibujar; copiar con cargas.
  • Vistas (navegador, como el de Revit): 3D, una planta por nivel (caja de corte alrededor del nivel y vista desde arriba), un alzado por eje y vistas guardadas con su dirección y su caja (quedan en el proyecto).

5e. Importar un modelo de ETABS#

Modelar → Nuevo → ETABS (también en Inicio y en Ctrl+K): elige el .e2k (File → Export → ETABS .e2k Text File; un .$et también sirve). Reemplaza el modelo (se deshace) y muestra un reporte: cuánto llegó, lo que se ajustó y lo que no se pudo pasar. Los nudos y barras conservan su nombre de ETABS (punto@piso, C1@STORY3).

Llega: unidades (también con coma decimal), pisos, ejes, diafragmas, materiales (E, ν, peso, Fy, Fu → el acero que coincide o uno propio), secciones (catálogo AISC, nombres métricos como W360X122, I y cajón propios que se diseñan, tubos, rectangulares y circulares de acero o concreto, generales, ángulos, canales y tes propios, autoselección con su sección inicial, no prismáticas con la del inicio, modificadores de la sección y del miembro), columnas, vigas y diagonales con giro y liberaciones de 6 GDL, apoyos (los resortes como apoyos rígidos), masas de nudo y por longitud, GDL activos, losas (FLOOR) como paneles de carga en una o dos direcciones con su peso propio, patrones (CM con el peso propio, CV, CVa, sismo, viento y propios), cargas en nudos, en barras (uniformes, trapeciales y puntuales en gravedad, globales, locales o proyectadas) y en losas (también los juegos de cargas), el espectro (función de usuario o ASCE 7) con su caso espectral y número de modos, la fuente de masa, el sismo estático automático (ASCE 7 o coeficiente) y las combinaciones (suma lineal, envolventes y anidadas; las espectrales con + y −).

También llegan los muros (áreas PANEL/WALL) como cascarones con su propiedad (delgado, grueso, membrana o por capas), espesor, material y modificadores, mallados a 1 m y ligados a castillos y dalas; las aberturas (al muro o losa en cuyo plano caen); las etiquetas de pila y dintel; las losas delgadas o gruesas como cascarones; y los materiales con la regla de su E reconocida (por ejemplo, «CONC250_12500» = 12 500√f′c). Un E fuera de lo usual (un error de unidades en ETABS) se avisa y se arregla en Definir → Materiales. El caso modal (Eigen o Ritz) y su número de modos se respetan.

No llega (y el reporte lo dice): cargas de área sobre muros, momentos en barras, desfases y zonas rígidas, viento automático (el patrón queda sin presión) y casos no lineales o de historia en el tiempo.

6. Conexiones#

Los nudos iguales (tipo, perfiles, articulaciones) forman un grupo; cada grupo lleva una conexión con un caso de carga por combinación de resistencia (el nudo del grupo que más trabaja en cada una). Crear conexiones las agrega al proyecto; si ya existen, actualiza sus cargas sin tocar su diseño. Armadas las dibuja en cada nudo; Semáforo las colorea con su revisión; clic en el estado abre la conexión.

7. Planos#

Planta por nivel y elevación por eje con burbuja de detalle en cada nudo, y las hojas de detalle de cada conexión. PDF (carta horizontal con cuadro de datos) y un DXF con todo.

8. Lo que todavía no hace#

• Análisis paso a paso. Ax (ASCE 7-22 §12.8.4.3) se calcula y se informa en Derivas, pero no se aplica solo a la excentricidad. Las fuerzas de los miembros con sismo espectral salen de las fuerzas de piso equivalentes (no de la combinación modal de cada fuerza del miembro).
• Corrección del espectro por un amortiguamiento distinto del 5 % (ζ solo entra en la CQC).
• Coeficientes de presión de viento por norma (la presión la das tú).
• Deformación por cortante, zonas rígidas en los nudos y tablero de nudo.
• Muros: elásticos, sin rigidez geométrica en el segundo orden ni esfuerzos de cascarón en pantalla; losas nervadas o reticulares de cascarón con el espesor de la capa; diafragmas semirrígidos.
• Diseño de miembros: no revisa el diseño sísmico por capacidad de AISC 341 (columnas con Ω0, eslabón del marco excéntrico, diagonales SCBF); la flecha de servicio se compara solo con L/240 de la carga total.
• Los valores de la NTC-Acero para su método de segundo orden no se cotejaron: se usa el de AISC 360-22.

9. Cómo se comprobó#

Muros y losas: muro en voladizo contra Timoshenko (−0.13 % con malla fina), placa simplemente apoyada contra Timoshenko y Woinowsky-Krieger (< 0.3 %), delgado = Euler–Bernoulli y grueso = Timoshenko fuera del plano, pilas en equilibrio exacto, Ritz con el mismo periodo que Lanczos (guía técnica, Estructura 3D §2.12–2.15).

La importación de ETABS se probó con los ejemplos 6 y 7 del manual de verificación de ETABS escritos como .e2k: los valores propios del ejemplo 6 coinciden al 0.0004 % y, en el ejemplo 7, los periodos, el desplazamiento de la azotea y la axial y el momento de la columna con la carga lateral, al 0.005 %.

Cada sistema (marcos a momento, articulados, V invertida, X, diagonal, marco excéntrico con eslabón, nave y mezanine) se resolvió también en OpenSees: desplazamientos, reacciones y fuerzas coinciden al 0.001 %; el segundo orden al 0.03 %; los periodos y masas efectivas de los modos al 0.001 %. Detalle en la guía técnica, capítulo Fundamentos.