Aplicaciones de Advance Design para los soportes avanzados en la ingeniería de estructuras

9 mayo 2024Cálculo estructural, Ingeniería

Partager

blog-a1.jpg

Escrito por Evangelia Palkanoglou, Solution Technical Specialist de GRAITEC

En el contexto de la ingeniería estructural, los apoyos avanzados se refieren a soportes o conexiones entre distintos elementos estructurales que presentan un comportamiento no lineal. Este tipo de apoyo imita una serie de condiciones realistas que tienen lugar en los sistemas estructurales, como el comportamiento de los apoyos metálicos/de goma de los puentes, los pilotes o el suelo.

A continuación, investigaremos y compararemos la modelización mediante apoyos no lineales con la que se realiza sin que se produzca ninguna no linealidad en los apoyos. Para ello, se utilizará el software Advance Design como software de elementos finitos. Los resultados obtenidos serán especialmente útiles para los ingenieros de estructuras.

Soportes avanzados

Los apoyos avanzados son comúnmente incluidos en la modelización de estructuras para considerar el comportamiento ante condiciones de carga extremas, como terremotos, huracanes y fuertes vientos. Estos apoyos están diseñados para ofrecer amortiguación, disipación de energía y estabilidad a la estructura, especialmente durante deformaciones significativas.

Advance Design proporciona una amplia gama de apoyos avanzados, que facilitan la creación de apoyos con características distintivas en diferentes direcciones, pero también introducen todo un nuevo conjunto de posibilidades para definir relaciones no lineales, especialmente importantes para algunos tipos de estructuras que requieren una definición más compleja de los apoyos. Los apoyos avanzados están disponibles para apoyos puntuales, lineales y planos.

Figura 1: Selección de soportes avanzados en la interfaz de diseño avanzado.

Soportes para huecos

Este tipo de apoyos permite desplazamientos/rotaciones dentro de unos límites especificados. Una vez alcanzados estos límites, los apoyos se activan. Además, se puede determinar si la relación es elástica después de la activación y si la relación es simétrica (es decir, el límite está en ambas direcciones de acción).

Los apoyos de los puentes entran en esta categoría de apoyos: están diseñados para proporcionar amortiguación y disipación de energía durante eventos sísmicos u otras condiciones de carga extremas. Proporcionan una excelente absorción y transferencia de fuerzas externas de la superestructura a los cimientos. Al mismo tiempo, permiten rotaciones estables en cualquier eje y movimientos horizontales de deslizamiento para reducir las fuerzas sobre puentes y edificios. Los apoyos para puentes no sólo se utilizan en la construcción de puentes, sino que también pueden aplicarse a autopistas, carreteras, muelles, aeropuertos, edificios y otras aplicaciones en las que objetos grandes y pesados deben funcionar con seguridad.

Los apoyos de puentes pueden modelarse fácilmente en Advance Design seleccionando la opción de apoyo en hueco que ofrece la interfaz del software. En la figura 2 se muestra un apoyo típico. La respuesta tras la activación puede ser elástica, simétrica o no simétrica (Figura 3). Dado que los apoyos para huecos tienen un comportamiento no lineal, el usuario debe establecer un caso de carga de análisis no lineal en Advance Design para que el solucionador tenga en cuenta esta respuesta en el análisis (figura 4).

Figura 2: Soporte de hueco típico con límite en la distancia.

Figura 3: Las curvas características para el soporte de huecos (hueco de 2 cm) se definen como simétricas sin elasticidad (izquierda) o elásticas (derecha).

Figura 4: Establecimiento de casos de carga de análisis no lineal en Advance Design.

 

En el siguiente esquema de modelización, los apoyos entre el tablero y los pilares de una pasarela de acero se modelizan en Advance Design utilizando la funcionalidad de apoyo de huecos. Todos los grados de libertad rotacionales se han considerado libres, mientras que los traslacionales se han supuesto fijos, excepto el horizontal x, en el que se ha habilitado el apoyo en hueco. Más concretamente, el soporte funciona como un rodillo a lo largo del eje x para desplazamientos de hasta 5 mm. Cuando el desplazamiento del apoyo supera el valor correspondiente, el apoyo se habilita, bloqueando cualquier movimiento posterior. Se investigan dos casos diferentes: (i) cargas de gravedad y carga térmica (ii) cargas de gravedad, carga térmica, y se aplica a la estructura una fuerza horizontal en uno de los apoyos.

En el primer caso de carga estudiado, las fuerzas de reacción fueron nulas (Figura 5 (a)), ya que no se superó el desplazamiento límite. (Figura 5 (b)). Sin embargo, cuando se introdujo un caso de carga horizontal adicional en el modelo, los desplazamientos horizontales del tablero aumentaron, alcanzando el desplazamiento límite de 5 mm (Figura 6 (b)). Se habilitó el soporte del hueco, bloqueando cualquier movimiento horizontal adicional del tablero mediante las reacciones horizontales proporcionadas (Figura 6 (a)).

Figura 5: (a) Reacciones de apoyo Fx y (b) desplazamiento horizontal Dx en un tablero de pasarela de acero al que se aplicaron cargas gravitatorias y carga térmica.

Figura 6: (a) Reacciones de apoyo Fx y (b) desplazamiento horizontal Dx en un tablero de pasarela de acero al que se aplicaron cargas gravitatorias, carga térmica y una carga horizontal Fx.

Endurecimiento de soportes

Los apoyos de endurecimiento son apoyos no lineales que ofrecen resistencia hasta un determinado nivel de fuerza. Una vez superado este umbral de fuerza, mantienen su reacción constante, pero dejan de ofrecer más apoyo, permitiendo a partir de ahora cualquier movimiento.

La respuesta estructural de un pilote rígido puede representarse eficazmente mediante un apoyo endurecido. Normalmente, un pilote rígido ofrece una reacción tanto vertical como horizontal, inhabilitando cualquier movimiento. Una vez alcanzada su capacidad, el pilote comienza a moverse, hundiéndose profundamente en el suelo, provocando desplazamientos en la estructura, pero sigue ofreciendo su reacción horizontal y vertical, que es igual a su capacidad.

El comportamiento de un pilote flexible es bastante similar al de un pilote rígido, la única diferencia es que un pilote flexible permite cierta deformación, en lugar de inhabilitarla totalmente. Ambos comportamientos pueden modelizarse fácilmente en Advance Design de forma eficaz. La opción de soporte de endurecimiento proporcionada en la interfaz del software es adecuada para un pilote rígido (Figura 7): la fuerza límite añadida por el usuario corresponde a la capacidad del pilote.  En el caso de un pilote flexible, el usuario debe especificar un diagrama fuerza-desplazamiento para que el solucionador identifique la rigidez inicial del pilote (figura 8). Los mismos principios relativos al tipo de análisis requerido se aplican también a este tipo de soporte.

Figura 7: Soporte de endurecimiento típico con límite de fuerza para modelar un pilote rígido.

Figura 8: Típico con diagrama fuerza-desplazamiento con rigidez inicial para simular el comportamiento de un pilote flexible.

El siguiente ejemplo demuestra el uso de un apoyo de endurecimiento en un esquema de modelización. En la Figura 9 se representa la fuerza de reacción horizontal Fx en los apoyos para dos pórticos de varias plantas diferentes, en los que se introdujo un apoyo endurecedor con un límite de fuerza de 10 kN en el grado de libertad de traslación x para ambos. Se aplicó una carga 2,5 veces superior al pórtico (b) para activar el apoyo endurecedor.

Es obvio que mientras la carga permaneció baja, el soporte de endurecimiento en el marco (a) proporcionó resistencia no permitiendo ningún movimiento (Figura 10 (a)). Al aumentar la carga, el soporte seguía ofreciendo resistencia, pero la fuerza necesaria para mantener el nudo indeformado superaba el umbral de 10 kN, por lo que el soporte endurecedor no podía ofrecer más resistencia, lo que provocaba un movimiento horizontal del nudo de 3 mm (figura 10 (b)). El soporte seguía proporcionando una fuerza de reacción máxima de 10 kN.

Figura 9: Fuerza de reacción horizontal Fx en apoyos de pórticos de varios pisos en los que se introdujeron apoyos de endurecimiento. El círculo rojo indica el apoyo de endurecimiento.

Figura 10: Desplazamiento horizontal Dx en los apoyos de una estructura de varios pisos en la que se introdujeron apoyos endurecidos.

Soportes activos sólo en tracción/compresión

Los apoyos no lineales activos sólo en tracción/compresión son apoyos estructurales que proporcionan resistencia y estabilidad a una estructura específicamente en tracción o compresión, dependiendo de la dirección de las fuerzas aplicadas. Estos apoyos están diseñados para transmitir y distribuir eficazmente las fuerzas en una dirección mientras ofrecen una resistencia nula y se mueven libremente en la dirección opuesta. Un ejemplo típico de soporte que sólo actúa en una condición de carga es la cimentación de una zapata. El suelo presenta un comportamiento no lineal; puede ofrecer resistencia cuando se le aplican fuerzas de compresión, pero es incapaz de resistir en fuerzas de tracción.

Este tipo de apoyo puede implementarse fácilmente en un esquema de modelización dentro de la interfaz de Advance Design. También pueden definirse con una relación diferente para cada dirección, por ejemplo, una relación sólo de compresión para la traslación vertical y una relación sólo de tracción para la traslación horizontal (Figura 12).

Figura 12: Asignación de apoyo anticipado para cada DOF.

Contenido relacionado

5 consejos para empezar a utilizar Tricalc

18 abril 2024Cálculo estructural, TricalcGRAITEC Expert

En este artículo, exploraremos cinco consejos clave para iniciar su viaje con Tricalc y el cálculo estructural de manera eficiente.

Áreas de Carga en Advance Design

11 abril 2024Advance Design, Cálculo estructuralGRAITEC Expert

En este artículo veremos la función Área de carga, una importante función de Advance Design que permite al usuario simular…