ANÁLISIS ESTRUCTURAL ASISTIDO
POR LA COMPUTADORA.
¿Qué es modelado y simulación?
En general un modelo puede ser entendido como una representación, bien sea abstracta, análoga, idealizada, de un objeto que puede ser real o ficticio.
En este caso y por su naturaleza, del contenido propuesto se ocupará de modelos de procesos que requieren el uso formal de herramientas matemáticas y computacionales para representar algún sistema y su comportamiento.
¿Qué es modelado y simulación?
• Un formalismo, es decir, un aparato matemático con unas reglas operativas para calcular .
• Una interpretación, es decir, una ontología que cuenta, en correspondencia con el formalismo, cuál es la imagen de los fenómenos, de los procesos y del mundo que la teoría pretende describir o explicar.
¿Qué es modelado y simulación?
La efectividad de los modelos como herramientas de certidumbre científica o como instrumentos de garantía para tomar decisiones sobre procesos de ingeniería, depende del nivel de correspondencia que pueda lograrse, dentro de los rangos relevantes, entre el modelo y el sistema real representado; entre el comportamiento observado al operar el modelo y el comportamiento observado de la experimentación sobre el sistema real.
¿Qué es modelado y simulación?
Si hemos denominado modelo, en este contexto, a la representación matemática y /o computacional de un sistema, podemos llamar simulación a la operación matemática y computacional de un modelo que comprende la representación temporal del comportamiento o la evolución de un sistema para formalizar, con técnicas computacionales, la experimentación artificial de un fenómeno o proceso.
¿Qué es modelado y simulación?
La importancia de la disciplina del Modelado y la Simulación actualmente se evidencia en las tendencias de las ciencias y áreas en las cuales ella se aplica (Biología, Ecología, Economía, Ciencias Ambientales, Ingeniería, Nanotecnología, Ciencias sociales, por citar algunas), y también en las disciplinas básicas que le dan su soporte (Matemáticas, Estadística, Física y Ciencias de la Computación).
¿Qué es modelado y simulación?
En el contexto de la ingeniería, especialmente en las dos últimas décadas, ha cobrado importancia la implementación del modelado y la simulación como una herramienta indispensable y transversal para resolver problemas científicos y tecnológicos planteados desde las ingenierías de sistemas, civil, química, industrial, biomédica, mecánica y otras.
Simulación de procesos constructivos
En el diseño y planificación de una obra civil a menudo hay que tomar decisiones complejas e importantes para el futuro del proyecto, estas decisiones no solo tienen que ver con la parte técnica estructural sino también con la parte constructiva y económica, siendo de gran riesgo en muchos casos para el éxito del proyecto.
Simulación de procesos constructivos
Las herramientas de visualización y modelación de construcción surgen como una alternativa en la cual apoyarse para la toma de decisiones y la planificación de proyectos, debido a que permiten la detección de problemas tempranamente.
Simulación de procesos constructivos
La simulación de procesos constructivos no resuelve los problemas, sino que ayuda a:
• Identificar los problemas de tipo más relevantes.
• Evaluar cuantitativamente las soluciones que pudieran aplicarse.
• Determinar cuál de las soluciones sería la más apropiada, pudiendo ser evaluada desde diferentes puntos de vista, esto con el fin de poder seleccionar la mejor alternativa y hasta la más económica.
Simulación de procesos constructivos
• Se incorpora el efecto de la variabilidad en el rendimiento del proceso productivo.
• Permite modelar relaciones lógicas complejas.
• Utilización de recursos y mejor distribución de los mismos.
• Rendimiento de los trabajadores.
• Restricciones.
• Cantidad máxima de trabajadores por espacio.
• Asignación de prioridades a trabajos más importantes.
Software como herramientas.
Sap 2000 .
es un programa de elementos finitos, con interfaz gráfico 3D orientado a objetos, preparado para realizar, de forma totalmente integrada, la modelación, análisis y dimensionamiento de lo más amplio conjunto de problemas de ingeniería de estructuras.
Software como herramientas.
Sap 2000 .
Genera automáticamente cargas de: de sismo, viento y vehículos, y posteriormente, hacer el dimensionamiento y comprobación automática de estructuras de hormigón armado, perfiles metálicos, de aluminio y conformados en frío
ANALISIS ESTRUCTURAL.
El Proceso de aproximar el comportamiento de un elemento continuo mediante Elementos finitos que se comportan de una forma similar a los elementos reales Discretos, se puede introducir mediante aplicaciones físicas especitas o como un concepto matemático general.
Elemento Continuo y Discreto.
Las limitaciones de la mente humana son tales que no pueden captar el comportamiento que el complejo mundo que lo rodea en una sola operación global. Por ello, una forma natural de proceder de los ingenieros consiste en separar los sistemas en sus componentes individuales, o “Elementos”, cuyo comportamiento pueden conocerse sin dificultad, y a continuación reconstruir el sistema original para estudiarlo a partir de dichos componentes.
ANALISIS ESTRUCTURAL.
En muchos casos se obtiene un modelo adecuado usando un numero finito de componentes bien definidos. A tales problemas los denominaremos Discretos. En otros, las subdivisión prosigue indefinidamente y el problema solo puede definirse haciendo uso de la acción matemática infinitésimo.
Ello nos conduce a ecuaciones diferenciales o expresiones equivalentes con un numero infinito de elementos implicados. a tales sistemas los llamaremos continuos.
Su campo de aplicación de este método es muy amplio, y en consecuencia es una herramienta importante en las nuevas formas de analizar y simular fenómenos estructurales, así como también en el campo de la hidráulica y la geotecnia.
ANALISIS ESTRUCTURAL.
BREVE HISTORIA DEL METODO DE ELEMENTOS FINITOS.
Los Conceptos de discretización numérica para resolver problemas de Ciencia e ingeniería son la base para la formulación del método de elemento finito. La aproximación geométrica más antigua lleva a las pirámides egipcias de 5000 años. Por otro lado la aproximación Numérica podría registrarse históricamente en China, Egipto y Grecia.
Los Registros muestran que los chinos calcularon el valor aproximado de ∏ en el primer siglo de nuestra era, con un valor de 3.1547 siendo usado para calcular el volumen de un cilindro.
ANALISIS ESTRUCTURAL.
BREVE HISTORIA DEL METODO DE ELEMENTOS FINITOS.
En el segundo siglo E.C el astrónomo Chang Heng aproximó el valor de como 3.1466 142/45 ,en la Dinastía oriental de Jihn (265-317 E.C) en su comentario de matemáticas uso un polígono regular inscrito en una circunferencia para poder aproximar ∏ la cual hallo un valor de 3.1416 (3927/1250); es interesante notar que el uso un polígono de 3072 lados, es decir elementos finitos. De acuerdo con el manuscrito Ahmes, se muestra que para 1500 A.C., los Egipcios usaban como valor de ∏=
3;1416. Un papiro de tiempos mas tempranos, ahora en Moscú, indica que los egipcios usaron la fórmula para el volumen de una pirámide y el área de un círculo de manera aproximada en 1800 A. C.
ANALISIS ESTRUCTURAL.
BREVE HISTORIA DEL METODO DE ELEMENTOS FINITOS.
Arquímedes uso el concepto de elementos finitos para cálcular volúmenes. En el contexto estructural, las soluciones tanto en elasticidad como en análisis estructural tuvieron un inicio del Método del Elemento Finito con Timoshenko, pero si se considera que el análisis de marcos establece el inicio del método del Elemento Finito, entonces los pioneros fueron Castigliano, Mhor y Maxwell, entre otros, en el periodo 1850-1875.
ANALISIS ESTRUCTURAL.
BREVE HISTORIA DEL METODO DE ELEMENTOS FINITOS.
En 1915, Maney de los Estados Unidos de Norteamérica, presentó el Método Pendiente-Deformación, expresando los momentos en términos de desplazamientos lineales y angulares en los nodos de la estructura, lo cual es una de las formulaciones para plantear el Método de las Rigideces y un desarrollo similar, fue planteado por Ostenfeld en Dinamarca. En el año 1929, Hardy Cross hizo público un Método para analizar marcos basado en distribuciones angulares, el cual se utilizó por los siguientes 35 años.
ANALISIS ESTRUCTURAL.
BREVE HISTORIA DEL METODO DE ELEMENTOS FINITOS.
En forma paralela a los primeros trabajos sobre análisis de estructuras reticulares, se resolvieron problemas de Mecánica del Medio continuo usando una analogía con estructuras formadas por barras diagonales para generar mallas con elementos triangulares. A principios de los años cuarenta Courant propuso funciones de interpolación polinomionales por secciones para formular subregiones triangulares como un caso especial del Método Variacional de Rayleigh-Ritz, que obtiene soluciones aproximadas. Actualmente, el Método del Elemento Finito es utilizado con la ayuda de las computadoras, lo cual ha contribuido a su desarrollo al mismo ritmo que las computadoras. Las publicaciones clásicas por Argyris y Kelsey a mediados de los 50-as , hicieron surgir los conceptos de análisis de marcos discretizando no solo en nodos sino además en puntos intermedios de las barras y análisis de un continuo, lo que marcó un crecimiento explosivo en el Método del Elemento Finito.
ANALISIS ESTRUCTURAL.
BREVE HISTORIA DEL METODO DE ELEMENTOS FINITOS.
Basándose en el planteamiento estático del Elemento Finito, se han ampliado las aplicaciones que incluyen diversos efectos físicos y vibraciones en el Análisis Dinámico, pandeo y post-pandeo, no linealidades en la geometría y en el material, efectos térmicos, interacción entre fluidos y estructuras, aeroelasticidad, interacción acústica-estructura, teoría de la fractura, estructuras laminadas, propagación de oleaje, dinámica estructural, respuesta dinámica aleatoria, y muchas más aplicaciones. Como una consecuencia de tantos campos de estudio, el uso de los programas de computadora orientados a cada caso, se han convertido en una práctica en los sitios involucrados en el análisis estructural.
ANALISIS ESTRUCTURAL.
APLICACIONES DEL METODO.
Existen gran numero de Estructuras que su paso de revisión tanto como post y pre proceso de diseño, son sometidos a rigurosos procesos de evaluación tales como para verificación de cortantes y flectores y saber si el diseño dado esta correcto.
Aplicaciones al Análisis Estructural.
En programas como el SAP el STAAD PRO tanto en el análisis de Int- Estructura-Estructura y análisis de Suelo-Estructura como el SAFE o el Plaxis que son de uso para el Calculo por elementos Finitos.
ANALISIS ESTRUCTURAL.
Aplicación en Mecánica de Fluidos.
El Método de Elementos finitos también puede ser usado en el Análisis de Mecánica de fluidos librerías en python como ECOASTER o el Fenics o Programas como Abaqus, Nastram nos pueden dar una idea de como este elemento físico se mueve e interacciona con el mundo aplicando soluciones particulares a la formulación de la ecuación general de los fluidos Navier y Stokes, idealizaciones de presas así como simulaciones de comportamiento de las turbulencias de los fluidos en turbinas hidráulicas.
ANALISIS ESTRUCTURAL.
Aplicación en Mecánica de Fluidos.
En estos análisis, se calculan los esfuerzos de las tuberías causados por los ciclos térmicos, el peso de las tuberías y los accesorios y la presión estática de la tubería de proceso principal. Generalmente, se usa el programa CAESAR II para realizar un modelo del sistema, aunque a veces también se necesitan otros programas de computación especializados, como NozzlePRO y FETee.
ANALISIS ESTRUCTURAL.
Aplicación en Mecánica de Fluidos.
• Se evalúa el esfuerzo ocasionado por los ciclos térmicos, el peso y las presiones estáticas de las tuberías, según lo establecido en todos los códigos de la industria, como B31.3, B31.8, CSA Z662, BS826, BS7159, FDBR, DNV, Stoomwezen y otros.
• Se calculan las cargas que sufren los equipos (p. ej., recipientes, enfriadores, bombas y compresores) y se los diseña para que cumplan con los estándares de la industria.
• Se brindan recomendaciones sobre el trazado de las tuberías, los soportes y el diseño de las abrazaderas.
ANALISIS ESTRUCTURAL.
Aplicación en Mecánica de Fluidos.
• Evaluación de sistemas de tuberías sujetos a cargas medioambientales (viento/movimientos sísmicos).
• Diseño del sistema de tuberías para soportar las cargas producidas por la descarga de las válvulas de seguridad.
• Análisis detallado de las cargas sufridas por las boquillas de los
recipientes para cumplir con los requisitos para recipientes a presión establecidos en el código ASME, sección VIII, p. 2.
ANALISIS ESTRUCTURAL.
Aplicación en Mecánica de Fluidos.
• Diseño de las cargas de las boquillas de enfriamiento para cumplir con los estrictos requisitos detallados en API 661.
• Análisis de tuberías subterráneas o enterradas.
• Análisis de fatiga de tuberías de alta presión, según el código ASME B31.3, sección IX.
ANALISIS ESTRUCTURAL.
MÉTODO DE ELEMENTOS FINITOS
Las Recetas para deducir las características de un elemento finito de un continuo, serán presentadas bajo una forma matemática mas detallada. Es conveniente obtener los resultados de una forma general aplicable a cualquier situación, pero para evitar la introducción de conceptos mas complicados se ilustraran las expresiones generales con un ejemplo.
ANALISIS ESTRUCTURAL.
Los correspondientes desplazamientos de un nodo i. Las funciones Ni;Nj ;Nm han de escogerse de manera que al sustituir de la ecuación, las coordenadas de los nodos se obtengan los correspondientes desplazamientos nodales.
Deformaciones.
Una vez conocidos los desplazamientos para todos los puntos del elemento, pueden determinarse las deformaciones en cualquier punto.
Éstas darán siempre resultado en relación que podrá escribirse como sigue en forma matricial.
ANALISIS ESTRUCTURAL.
ɛ = Su ɛ = Ba B = SN
Donde S es un operador lineal apropiado en los casos de la tensión plana las deformaciones se expresan en función de los desplazamientos mediante las conocidas relaciones que definen al operador S.
Determinadas ya las funciones de forma es fácil obtener la matriz B.
ANALISIS ESTRUCTURAL.
Tensiones.
Conociendo el contorno del material o el elemento puede estar sujeto a deformaciones iniciales, tales como las debidas a cambios de temperatura etc. Deberán diferenciarse entre Esfuerzos iniciales y Esfuerzos = 0 que muy bien podrían medirse, pero cuya predicción seria imposible sin un conocimiento completo de la historia del material. estas tensiones pueden sencillamente añadirse a las ecuaciones generales asumiendo un comportamiento elástico lineal.
ANALISIS ESTRUCTURAL.
Fuerzas nodales equivalentes
Son fuerzas que están en la misma dirección de los desplazamientos de posición ai correspondientemente y deben ordenarse en dirección apropiada. Las fuerzas distribuidas b son por definición las que actúan por unidad de volumen en dirección correspondientes a las de desplazamientos u de ese punto.
ANALISIS ESTRUCTURAL.
Fuerzas nodales equivalentes
Para mejor entendimiento se debe dar desplazamientos arbitrarios o virtuales a los nodos para darle mas sentido físico. e igualando el trabajo exterior con el interior.
ANALISIS ESTRUCTURAL.
Fuerzas nodales equivalentes
Para mejor entendimiento se debe dar desplazamientos arbitrarios o virtuales a los nodos para darle mas sentido físico. e igualando el trabajo exterior con el interior.
Urbano
Una de las ventajas principales de Urbano Canalis & Hydra es la adaptación a las condiciones de diseño locales y estándar. Esto simplifica y facilita nuestro proceso de diseño, dándonos la posibilidad de conseguir una mayor velocidad y calidad.
Otra ventaja importante de Canalis & Hydra es la conexión dinámica entre diferentes partes del proyecto y elementos, permitiendo correcciones en una parte que se reflejan automáticamente en otra.
Este función es una herramienta rápida para explorar diseños alternativos y protegernos de errores desintencionados.”
Software como herramientas.
Urbano es una mezcla única de herramientas de diseño, cálculo y análisis que refuerzan su trabajo, disminuyen el tiempo de diseño y crean nuevas oportunidades.
Diseño: Todo comienza con unas simples acciones: seleccionar una tubería del catálogo, dibujar el primer pozo de registro y tubería, conectarlo con una red ya existente.
Cálculo: Determinar áreas de captación, calcular flujos y ejecutar cálculos hidráulicos son una parte importante del proceso de diseño.
Análisis: Desarrollar escenarios alternativos de diseño y seleccionar la solución óptima es una tarea compleja.
Software como herramientas.
La familia de software de Urbano ofrece la solución adecuada para cada caso de diseño de redes de tuberías.
