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CURSO DE ANÁLISIS DE ESTRUCTURAS CON SAP2000 V.15 Aplicación a casos prácticos – Curso gratuito

Curso de análisis de estructuras con SAP2000 v.15. Aplicación a casos prácticos – Curso Gratuito

Índice 1. PROPÓSITO DE SAP2000 .............................................................................................................. 3 2. ¿PORQUÉ SE DEMANDA TANTO EN LAS EMPRESAS? .................................................................. 4 3. FUNDAMENTACIÓN TEÓRICA ...................................................................................................... 6 4. EL MENÚ DEL PROGRAMA ........................................................................................................... 9 5. GESTIÓN DE ARCHIVOS .............................................................................................................. 16 

Ejemplo: Definición de geometría en AutoCAD 2013 e importación del fichero .dxf a

SAP2000 v.15 por pasos. ........................................................................................................... 18

Francisco Nicolás Cantero Chinchilla 1 Profesor y asesor corporativo de Academia INGNOVA

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Figuras Figura 1: Ejemplo de salida de resultados del cálculo dinámico de un edificio. ............................ 3 Figura 2: Menú de definición de geometría de un nuevo modelo. .............................................. 4 Figura 3: Herramientas de dibujo del panel interior de SAP2000. ................................................ 5 Figura 4: Previsión de la evolución del producto interior de España por la UE. ............................ 6 Figura 5: Método de la rigidez explicado en los apuntes del curso de METAL 3D de la Academia Ingnova. ......................................................................................................................................... 7 Figura 6: Discretización de un elemento de muro de contención mediante el MEF. ................... 8 Figura 7: Función de forma (Ni) de un elemento i cualquiera del mallado de una estructura. .... 8 Figura 8: Ejemplo de sistema de ecuaciones para un elemento finito. ........................................ 9 Figura 9: Cuadro de dialogo de introducción de nuevos modelos.............................................. 10 Figura 10: Menú Edit y Draw. ...................................................................................................... 11 Figura 11: Menú View. ................................................................................................................ 11 Figura 12: Submenú Display Options. ......................................................................................... 12 Figura 13: Menú Define............................................................................................................... 13 Figura 14: Menú Assign. .............................................................................................................. 13 Figura 15: Menú Analyze. ............................................................................................................ 14 Figura 16: Menú Display.............................................................................................................. 14 Figura 17: Menú Options............................................................................................................. 15 Figura 18: Menú para la gestión de archivos. ............................................................................. 16 Figura 19: Definición de capas en AutoCAD 2013. ...................................................................... 18 Figura 20: Geometría de una estructura porticada. ................................................................... 19 Figura 21: Guardar como archivo .dxf ......................................................................................... 19 Figura 22: Importando un archivo .dxf a SAP2000. ..................................................................... 20 Figura 23: Dirección del eje vertical. ........................................................................................... 20 Figura 24: Asignación de capas a elementos geométricos. ........................................................ 21 Figura 25: Visualización final de la estructura porticada. ........................................................... 21

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1. PROPÓSITO DE SAP2000

Entre el software especializado en cálculo y análisis de estructuras en el mercado actual destaca sin duda el programa SAP2000, y en especial su última versión v.15. SAP2000 se trata de un software dirigido a expertos calculistas de estructuras y personal dedicado a análisis estructural, capaz de profundizar en todos los aspectos estructurales que otros programas no incluyen, como por ejemplo la caracterización de materiales y secciones. Una de los principales propósitos de los desarrolladores de este software es conceder a los técnicos herramientas de análisis que no se encontrasen implementadas en programas hasta el momento de su puesta en marcha. Así, además de clásico análisis estático estructural, SAP2000 ofrece la posibilidad de analizar cualquier estructura desde el punto de vista dinámico lineal y no lineal (Figura 1). Esta es una de las principales características por la que SAP2000 tiene tanto tirón en la actualidad en el mundillo estructural.

Figura 1: Ejemplo de salida de resultados del cálculo dinámico de un edificio.

Otra de las principales ventajas que ofrece SAP2000 es el hecho de que se pueda definir casi cualquier geometría. Esta característica dota al programa de una versatilidad tal que lo coloca en la cima de los programas de análisis estructural. En definitiva se puede decir que SAP2000 es un software prácticamente orientado hacia la vertiente del análisis estructural, dentro del mundo del diseño y cálculo de estructuras. Esto lo hace muy atractivo para la comunidad estructural que se encuentre diseñando nuevas Francisco Nicolás Cantero Chinchilla 3 Profesor y asesor corporativo de Academia INGNOVA

Curso de análisis de estructuras con SAP2000 v.15. Aplicación a casos prácticos – Curso Gratuito estructuras, así como para el sector que se dedica a la rehabilitación de antiguas obras, pues con la herramienta SAP2000 están en disposición de conocer las debilidades y fortalezas de estructuras antiguas.

2. ¿PORQUÉ SE DEMANDA TANTO EN LAS EMPRESAS? El hecho de que SAP2000 sea actualmente un fuerte hándicap a la hora de conseguir trabajo hace aún más atractivo el conocer el funcionamiento de este programa. Hoy en día SAP2000 se ha convertido en un referente en el mundo del cálculo y análisis de estructuras, sobre todo debido a su versatilidad a la hora de construir cualquier tipo de estructura y a la alta gama de salidas tensionales analíticas que podemos consultar y que, por tanto, sirve hacen de este software una potente herramienta para el experto analista de estructuras. En la figura 2 podemos ver una captura del menú principal e inicial del programa en el que se plasma la polivalencia constructiva del mismo. Aunque pueda parecer poco increíble, la mayoría de los programas del mercado no presentan esta característica básica de SAP2000.

Figura 2: Menú de definición de geometría de un nuevo modelo.

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Curso de análisis de estructuras con SAP2000 v.15. Aplicación a casos prácticos – Curso Gratuito Observando con detenimiento la figura anterior veremos que SAP2000 nos ofrece una amplia gama de posibilidades a la hora de dibujar/construir nuestra estructura de manera predeterminada y automática. Estas van desde los modelos 2D y 3D de barras (Frames), hasta modelos 2D y 3D de superficies (Shells) pasando por modelos de almacenamiento o modelos sólidos. Igualmente existe la opción “Blank” que nos permitirá crear posteriormente la geometría a nuestro antojo con las herramientas de dibujo de los cuadros de dialogo interiores (figura 3).

Figura 3: Herramientas de dibujo del panel interior de SAP2000.

La reciente crisis económica mundial, originada en 2007 por las hipotecas subprime, ha desencadenado una fuerte deslocalización de las empresas de sus anteriores territorios nacionales, llevándolas a buscar nuevos nichos de mercado en el extranjero, sobre todo en países emergentes o en vías de desarrollo. Este es el caso de las empresas españolas en los últimos años, que han ido copando, cada día que pasa más, el mercado sudamericano. Es por esta razón por la que la demanda de calculistas y analistas de estructuras nacionales que sepan manejar SAP2000 se ve potenciada de un tiempo a esta parte.

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Figura 4: Previsión de la evolución del producto interior de España por la UE.

Fuente: http://ec.europa.eu/economy_finance/index_en.htm

Los esfuerzos económicos de la comunidad europea auguran una recuperación del panorama laboral en los próximos años (figura 4) y esto hace que se espere que la demanda crezca exponencialmente, pues coexistirá la demanda nacional y la demanda extranjera que hasta ahora no se tenía lo suficientemente en cuenta. Sin embargo, la nueva demanda de personal por parte de las empresas se caracterizará por una alta y fuerte cualificación de los trabajadores, que en el caso de los calculistas y analistas de estructuras, pasa por el conocimiento y el manejo de este software tan potente y avanzado, SAP2000.

3. FUNDAMENTACIÓN TEÓRICA El programa SAP2000 resuelve las estructuras implementadas por dos métodos generales, diferenciándolas en estructuras discretas y estructuras continuas. Las estructuras discretas o sistemas discretos son aquellas que se encuentra formadas por elementos diferenciables unidos por puntos o nodos, de manera que el sistema total tiene forma de malla o retícula. El método de resolución más generalista de este tipo de estructuras Francisco Nicolás Cantero Chinchilla 6 Profesor y asesor corporativo de Academia INGNOVA

Curso de análisis de estructuras con SAP2000 v.15. Aplicación a casos prácticos – Curso Gratuito es el método de la rigidez, el cual a través del cálculo de la matriz de rigidez del sistema es capaz de despejar el vector de desplazamientos del mismo, que se encuentra intrínsecamente relacionado con las tensiones producidas. Este método se explica con mucho más detalle dentro del “Curso de construcción de estructura metálica con Nuevo Metal 3D”, que podréis encontrar en el apartado de cursos de la Academia Ingnova (figura 5).

Figura 5: Método de la rigidez explicado en los apuntes del curso de METAL 3D de la Academia Ingnova.

Los sistemas continuos se caracterizan, entre otras características, por la imposibilidad de definir elementos singulares que simplifiquen su cálculo. Por tanto, ya que no se pueden abordar con el Método de la Rigidez entra a jugar un papel fundamental en su resolución el Método de los Elementos Finitos (figura 6).

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Figura 6: Discretización de un elemento de muro de contención mediante el MEF.

El MEF (Método de los Elementos finitos) divide el continuo en líneas o superficies virtuales creando regiones de formas geométricas sencillas y normalizadas, que son las que se conocen como elementos finitos. Estos elementos finitos se encuentran unidos entre sí mediante nodos, que son los elementos más importantes del mallado, pues es en ellos donde se definen las incógnitas básicas del problema. Para poder definir el desplazamiento en un punto de la estructura es necesario componer la incógnita en función de los desplazamientos de los nodos adyacentes. A este fin se definen las funciones de forma, que son funciones de interpolación que permiten conocer el desplazamiento de un punto interior de un elemento finito en función de los desplazamientos de los nodos de alrededor. Estas funciones de forma definen los desplazamientos unitarios en los nodos del mallado estructural, y mediante las ecuaciones constitutivas del material se puede definir el estado tensional del elemento (figura 7).

Figura 7: Función de forma (Ni) de un elemento i cualquiera del mallado de una estructura.

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Curso de análisis de estructuras con SAP2000 v.15. Aplicación a casos prácticos – Curso Gratuito Dos aspectos fundamentales a tener en cuenta son que las funciones de forma son independientes en cada elemento y que la solución interior del elemento es aproximada. Para una estructura discreteada en elementos finitos, puede utilizarse funciones de interpolación diferentes para cada uno de ellos, a juicio del analista, aunque deben cumplirse condiciones de compatibilidad entre elementos. Ejemple de sistema de ecuaciones para un elemento lo encontramos en la figura 8.

Figura 8: Ejemplo de sistema de ecuaciones para un elemento finito.

4. EL MENÚ DEL PROGRAMA Como en la mayoría de programas de cálculo y análisis estructural, en SAP2000 encontraremos una metodología paso a paso muy marcada y que viene prácticamente definida por el menú general superior del programa. Esto es sencillamente porque la resolución de problemas estructurales es muy metodológica, con unas pautas establecidas que llevan al resultado final del problema en casi el 100% de los casos. A continuación se presentan con brevedad algunas de las características más reseñables de este menú. Para entrar en profundidad deberá cursar alguno de los dos cursos complementarios (Básico o Avanzado): 

Menú de introducción de nuevos modelos: este menú surge automáticamente cuando pulsamos sobre el documento en blanco de la barra superior izquierda o sobre New Model en el menú File. Figura 9.

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Figura 9: Cuadro de dialogo de introducción de nuevos modelos.

Podemos apreciar, como ya se comentó en los puntos anteriores de este documento, que SAP2000 nos ofrece una amplia gama de posibilidades a la hora de diseñar una estructura, haciendo que el esquema se adapte casi perfectamente a nuestro diseño estructural real que queramos estudiar. Además en la parte superior nos da la opción de trabajar con un modelo totalmente nuevo, de importar un modelo ya construido y de cambiar las unidades en las que trabajará el programa durante toda la fase de diseño y cálculo. En el botón “Modif/Show info…” podremos caracterizar lo máximo posible la información escrita de nuestro proyecto. 

Menú Edit y Draw: estos menús son comunes en casi todos los programas de diseño estructural y se limitan a ofrecernos una serie de herramientas de trazado y de edición de barras, nudos, superficies y sólidos para definir lo más correctamente posible nuestro proyecto. Figura 10.

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Figura 10: Menú Edit y Draw.

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Menú View: aunque no parezca así, es uno de los menús más importantes del programa, pues nos ayudará mucho a agilizar nuestro trabajo de diseño estructural. Figura 11.

Figura 11: Menú View.

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Curso de análisis de estructuras con SAP2000 v.15. Aplicación a casos prácticos – Curso Gratuito Lógicamente lo anterior no se justifica por la mayoría de botones disponibles en el menú, que suelen ser los que se encuentran en todos los programas de cálculo y análisis estructural, sino por el botón “Set Display Options…”. Dentro de este último podremos marcarle al programa la información referente a puntos (joints), cuadros/barras/cables (Frames), la vista general y la vista de colores, que queramos que muestre en pantalla. Una excesiva información en pantalla nos hará perder tiempo en nuestro diseño, y un defecto de información puede hacer que nos confundamos a la hora de definir elementos y/o cargas. Figura 12.

Figura 12: Submenú Display Options.



Menú Define: una vez definida la geometría del proyecto el siguiente paso es definir los materiales, secciones, condiciones de contorno de elementos, cargas, combinaciones de cargas, casos de cargas, etc. Una de las principales ventajas de SAP2000 es la posibilidad de editar las caracteristicas de tu propio material y de tu sección (simple o compuesta). Esto hace de SAP2000 un atractivo incluso para investigadores que trabajan con nuevos compuestos de materiales o nuevas formas resistentes seccionales. Figura 13. Además de todo esto también podremos agrupar series de objetos. Esto es muy útil en el caso en el que tengamos muchos objetos en pantalla que tengan las mismas propiedades, pues posteriormente se las podremos asignar de manera mucho más rápida.

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Figura 13: Menú Define.

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Menú Assign: que se definan las características de las barras no quiere decir que estas las tomen automáticamente, sino que hay que dar un paso más y asignárselas mediante el menú Assign. Figura 14.

Figura 14: Menú Assign.

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Curso de análisis de estructuras con SAP2000 v.15. Aplicación a casos prácticos – Curso Gratuito Este menú permite asignar caracteristicas seccionales, resistentes, etc. a barras, nodos u otro tipo de objetos, en la parte superior; también se puede hacer lo propio con las cargas de manera análoga (submenú que se observa en la figura 14). 

Menú Analyze: este menú permite crear unas condiciones de análisis y correr el análisis completo de la estructura o estructuras diseñadas en el proyecto. Figura 15.

Figura 15: Menú Analyze.

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Menú Display: a través de los botones de este menú tendremos la posibilidad de visualizar todos los esfuerzos que sufre nuestra estructura, una vez calculada. Figura 16.

Figura 16: Menú Display.

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Curso de análisis de estructuras con SAP2000 v.15. Aplicación a casos prácticos – Curso Gratuito Además de poder seleccionar elementos aislados de la estructura y estudiarlos en profundidad en cuento a esfuerzos se refiere, también tendremos la posibilidad de dibujar funciones de respuesta para multitud de variables actuantes sobre los elementos estructurales, así como estudiar el espectro energético de respuesta de la estructura a ciertas cargas, como por ejemplo la carga sísmica. Esta es otra de las características que hace a SAP2000 muy atractivo para las empresas que trabajan con análisis de estructuras, e incluso para centros investigadores. 

Menú Design y Options: El primero de los menús da pie a entrar en el cálculo de la estructura, de los elementos estructurales, propiamente dicho. Sin embargo, como ya dijimos anteriormente no es objetivo de este curso, y en todo caso se verá algo en los cursos “Básico” y “Avanzado”. En cuanto al menú Options es un menú que agrupa muchas caracteristicas del submenú “Display Options”, pero que además da la posibilidad de modificar otras muchas como por ejemplo la memoria usada para el cálculo del programa, las opciones de dibujo de gráficos, etc. Figura 16.

Figura 17: Menú Options.

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5. GESTIÓN DE ARCHIVOS Como viene siendo habitual en los últimos tiempos, la mayoría de softwares nuevos se encuentran directa o indirectamente enlazados con otros programas de diseño, cálculo, etc. de la misma casa o de casas afines a la que desarrolla el software. La razón es puramente comercial, aunque también es verdad que hay casos en que los desarrolladores ceden ante presiones de usuarios que abogan por programas que faciliten la tarea, no que la compliquen, si bien ya es complicada de por sí. Normalmente las herramientas que enlazan con otros programas, así como la que permiten trabajar con ficheros e intraficheros, se encuentran recogidas en el menú primero de la barra de tareas y se conocen por el nombre de “gestión de archivos”. Figura 18.

Figura 18: Menú para la gestión de archivos.

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Curso de análisis de estructuras con SAP2000 v.15. Aplicación a casos prácticos – Curso Gratuito SAP2000 v.15 ordena los botones del menú para la gestión de archivos en función de la procedencia de los archivos a importar, que podemos observar en la figura 17 separados por líneas horizontales en el submenú “Import”. Los grupos son: 

Importación de ficheros de texto y/o bases de datos: estos botones son los primeros que se encuentran en el submenú. Lo que hace SAP2000 es simplemente leer mediante algoritmos la información de estos ficheros y pasarla a las matrices predeterminadas que llevan a la definición de la geometría del modelo. Estos ficheros pueden ser de procedencia Excel, Access o S2K, todos ellos producidos por la exportación de modelos de SAP2000 anteriormente. El hecho de que se exporten modelos con estas extensiones es que pueden ser editables a posteriori, por ejemplo, en hojas de cálculo Excel.



Importación de ficheros de SAP, pero de versiones muy antiguas: estas opciones se encuentran diferenciadas de las demás porque se tratan de algoritmos de lectura y conversión de datos de ficheros antiguos, hecho con programas anticuados, que podían arrastrar alguna deficiencia. Estos algoritmos lo que intentan es subsanar todas las posibles diferencias entre programas de versiones muy distantes para poder trabajar en SAP2000 v.15. Nos referimos a versiones anteriores como SAP2000 v6 o SAP90, el primer software de SAP de análisis de estructuras.



Importación de archivos neutros o de sólidos neutros: se trata de una serie de botones que permiten abrir archivos de otros programas de cálculo de estructuras, aunque estos no tengan la opción de exportar solamente la geometría. Es decir, por ejemplo, si estamos diseñando con ProSteel y queremos analizar nuestra estructura con SAP2000 podemos exportar el archivo en alguna de las extensiones recogidas en este apartado del submenú y abrirlo con SAP2000 sin inconveniente, encontrándonos la geometría del modelo.



Importación de ficheros específicos de definición de geometría: estas opciones permiten importar ficheros en .dxf de AutoCad, ficheros .ifc de otros programas de cálculo como Tricalc o ficheros .igs que es un formato de archivo informático que define un formato neutral de datos que permite el intercambio digital de información entre sistemas de diseño asistido por computadora (CAD).

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Curso de análisis de estructuras con SAP2000 v.15. Aplicación a casos prácticos – Curso Gratuito Puesto que AutoCad es uno de los de uso más extendido por la comunidad técnica, es digno de mención detallada en este subapartado. Cuando realizamos la definición de la geometría en AutoCad pensando en trabajar posteriormente con SAP2000 es necesario tener en cuenta que hay que definir todos los elementos geométricos que debe contener SAP2000. Es decir, no basta con dibujar un sistema de barras para un pórtico, por ejemplo, en AutoCad, sino que es necesario dibujar los puntos o nodos de unión entre pórticos. Los elementos de la geometría del sistema se deben diferenciar dentro del dibujo de AutoCad mediante distintas capas. Estos elementos se engloban en los siguientes grupos: i.

Special joints: nodos de unión entre barras.

ii.

Frames: barras de cualquier tipo de entramado.

iii.

NL Links: nodos de enlace amortiguado (apoyos de terreno, neoprenos, etc.).

iv.

Shells: superficies.

v.

Solid: cuerpos sólidos.

 Ejemplo: Definición de geometría en AutoCAD 2013 e importación del fichero .dxf a SAP2000 v.15 por pasos. a) Generamos un nuevo archivo en AutoCAD 2013 y definimos 5 capas adicionales con los grupos geométricos de SAP2000. Figura 19.

Figura 19: Definición de capas en AutoCAD 2013.

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Curso de análisis de estructuras con SAP2000 v.15. Aplicación a casos prácticos – Curso Gratuito b) Dibujaremos una estructura porticada cualquiera asegurándonos de que cada elemento geométrico se encuentra bien recogido en su capa correspondiente. Figura 20.

Figura 20: Geometría de una estructura porticada.

c) Guardamos el archivo con extensión .dxf. Figura 21.

Figura 21: Guardar como archivo .dxf

d) Importaremos desde el menú “File” de SAP2000 el archivo anteriormente generado en .dxf por AutoCAD 2013. Figura 21.

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Figura 22: Importando un archivo .dxf a SAP2000.

e) Seleccionamos la dirección y el sentido del eje vertical. Figura 23.

Figura 23: Dirección del eje vertical.

f)

Asignamos a cada tipo geométrico la capa del archivo a la que corresponda. Figura 24.

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Figura 24: Asignación de capas a elementos geométricos.

g) Visualizaremos nuestra estructura con todos los elementos definidos y cargados por SAP2000 correctamente. Figura 25.

Figura 25: Visualización final de la estructura porticada.



Importación de ficheros más complejos: existen ficheros procedentes de programas antiguos o en desuso cuya importación precisa de una conversión del archivo madre. A este efecto SAP2000 provee el último listado de botones del submenú “Import”. Estamos refiriéndonos a programas como NASTRAN, programa desarrollado a finales de los 60 por la NASA y basado en el método de los elementos finitos.

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