Ansys-CivilFEM y SAP 2000 en la modelación estructural

ANSYS-CIVILFEM Y SAP-2000 EN LA MODELACIÓN ESTRUCTURAL

ANSYS-CIVILFEM AND SAP-2000 IN THE STRUCTURAL MODELING

Julián Carrillo ; Noel Giovanni González Peñuela ; Diego Felipe Velandia Manchego

RESUMEN: en el presente artículo se encuentran los resultados de una investigación analítica y computacional, donde se estudian por medio de la modelación de diferentes estructuras, a dos de los programas actualmente utilizados tanto para investigación, docencia, como para la práctica profesional, estos son SAP-2000 y ANSYS-CivilFEM. El estudio de las herramientas computacionales inicia con la comprensión de las metodologías teóricas en las que se basan los programas para efectuar un análisis estructural. Posteriormente se lleva a cabo la modelación estructural, obteniendo resultados numéricos importantes para el diseño como son momentos, cortantes, axiales y desplazamientos. Se hacen los comentarios de cada una de las aplicaciones de los programas, teniendo en cuenta las características especiales al momento de introducir los modelos y en la lectura de los resultados alcanzados. El estudio de las fortalezas encontradas permite clasificar el uso tanto para la investigación como docencia y/o práctica profesional.

Palabras clave: modelación, elementos finitos, análisis estructural

ABSTRACT: in this article are found the results obtained through an analytical and computational investigation where are studied two of the latest programs by the modeling of different structures; these programs are SAP-2000 and ANSYS-CivilFEM, which are used for researching, teaching and structural analysis. The study of the computational tools began with the understanding of the methodology theories used by both of the programs in the structural analysis; after that it was started the structural modeling, obtaining important numerical results for the structural analysis as shears, stresses, strains, axial forces, displacements, etc. Commentary about the programs applications are made including the especial characteristics in the model creation and the result lectures. The study of the strengths of the programs let classify them ether for researching, teaching or professional practice.

Key words: modeling, finite elements, structural analysis.

I. INTRODUCCIÓN

Al realizar un análisis estructural, existe la incertidumbre sobre cual es la herramienta computacional a utilizar. Esta incertidumbre es función directa de las variables que se consideran intervienen en el análisis como también los resultados que cada una de ellas presenta. Los programas SAP2000 y ANSYS-CIVILFEM son dos poderosas herramientas computacionales con las cuales se han realizado numerosos análisis estructurales en el campo académico, investigativo y profesional a nivel mundial. Debido a la importancia de la aplicación de estos programas, se hace indispensable que el ingeniero conozca los principios bajo los cuales se basa el programa e identifique las ventajas que cada uno de ellos posee, para que de esta manera pueda comprender cual se acomoda mejor a las necesidades investigativas y/o profesionales. Apoyados en lo expuesto anteriormente, nació la idea de realizar este estudio, el cual pretende dar una introducción generalizada del tipo de herramientas computacionales que el ingeniero puede utilizar, en este caso SAP2000 y ANSYS-CIVILFEM, y de la misma manera, guiar a aquellos que están comenzando a implementar el uso de las mismas.

II. MARCO CONCEPTUAL

Hablar de la modelación en general, es referirse a la aplicación de un lenguaje matemático a un elemento, simulando las condiciones reales a las cuales va a estar sometido durante su vida útil. Actualmente, debido a la gran cantidad de variables que se deben tener en cuenta para analizar un fenómeno, se ha implementado el uso de aplicaciones computacionales que tienen en cuenta este lenguaje matemático, sin apartarse del principio de la modelación matemática. Es por esto que al abordar el tema de la modelación, se habla principalmente de los principios en que se basa la modelación matemática, independientemente si está o no sistematizada. En la actualidad este tipo de programas utilizan el método de elementos finitos, FEM (por sus siglas en ingles, Finite Element Methods) para resolver los modelos que se requieren analizar. SAP-2000 utiliza este método al analizar elementos tipo cascarones y sólidos; ANSYS-CivilFEM lo usa para analizar cualquier tipo de elemento. Por lo anterior, se hace necesario conocer conceptualización básica, para así entender el funcionamiento de estas aplicaciones computacionales.

A. ¿Qué es un modelo?

Fowler (1998) expresa que un modelo son las matemáticas aplicadas, es decir, la utilización de las mismas físicamente. Un modelo se representa mediante el uso de ecuaciones con sus respectivas variables. De esta forma, existen 2 tipos de modelaciones:

- Modelación continua: en estos modelos las variables cambian continuamente respecto al espacio y al tiempo.

- Modelación discreta: son los modelos en los que las variables cambian discontinuamente. En estos modelos se usan ecuaciones no lineales, las cuales permiten analizar medios discontinuos, un ejemplo de esto es la modelación del suelo, el cual por estar conformado de cientos de miles de partículas en un segmento pequeño, presenta gran discontinuidad.

B. Procedimiento para modelar

Según Fowler (1998), el procedimiento para modelar esta definido por los siguientes pasos y puede ser representado mediante el esquema mostrado en la Figura 1:

Figura 1. Procedimiento para modelar. Adaptada de Fowler (1998).

a. Identificación del problema: se debe definir el contexto del modelo, reconociendo las variables apropiadas para la modelación. Además es necesario realizar una idealización, la cual muestra la situación real que se presenta.

b. Formulación del modelo: se utilizan diferentes ecuaciones y las respectivas condiciones de frontera.

c. Reducción del modelo: el modelo puede tener una solución que proceda de una forma inapropiada. El origen de este problema puede ser el inadecuado planteamiento e inflexibilidad en las ecuaciones.

d. Análisis del modelo: un modelo muy complejo puede ser representado por un proceso simple. Al analizar un modelo, se llega a una secuencia de tipos de cálculo similares en un momento determinado.

e. Computación: los resultados numéricos de complemento o de validación pueden llegar a ser más importantes que otros tipos de resultados. En los resultados numéricos de complemento, se busca obtener un resultado cuantitativo donde el análisis es imposible. Por otro lado, los resultados numéricos de validación

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