Estructuras con cables en Advance Design

23 noviembre 2023Advance Design, Cálculo estructural

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Las estructuras con cables se distinguen por su notable capacidad para soportar importantes esfuerzos de tracción. Esta ventaja permite a los arquitectos e ingenieros diseñar estructuras que no solo son resistentes, sino también ligeras, rentables y visualmente atractivas. Además, debido a su ligereza, el montaje de los elementos de cable es sencillo y sin esfuerzo. Las estructuras que incluyen cables tienen una rica historia, que abarca varios tipos. Algunos ejemplos notables son los puentes colgantes, los puentes atirantados y las pasarelas, así como las estructuras con mástiles, los sistemas de cubiertas colgantes, las estructuras de red de cables y las estructuras de tensegridad.

Puente atirantado Shutterstock
Puente atirantado Shutterstock

Los elementos estructurales de los cables son geométricamente no lineales y, por lo tanto, necesitamos un programa de cálculo no lineal para analizar este tipo de estructuras. Advance Design es el software de cálculo estructural de Graitec que incluye un solucionador no lineal. Esto permite a los ingenieros incorporar fácilmente cables en sus proyectos.

Toldo suspendido por cable Shutterstock
Toldo suspendido por cable Shutterstock

En este artículo, veremos cómo modelar una estructura con cables en Advance Design, incluyendo análisis y resultados MEF.

1. Ejemplo de estructura con cables

Nuestro ejemplo de trabajo está inspirado en la estructura que se muestra en la siguiente figura, que es una lona para cubrir en voladizo un estacionamiento de automóviles.

Estructura de lona en voladizo para estacionamiento de vehículos
Estructura de lona en voladizo para estacionamiento de vehículos

En esta estructura podemos notar que la viga en voladizo lleva una cubierta ligera con, por supuesto, su peso propio: la cubierta puede estar sometida a cargas de viento y nieve. Una gran idea sería utilizar cables que unieran los pilares y las vigas en voladizo. Estos cables trabajan a tracción y tienen un papel importante para sujetar la viga en voladizo.

2. Modelando en Advance Design

Para simplificar el estudio, consideraremos solo un pórtico, que incluye una columna empotrada en el extremo inferior, una viga en voladizo mayor, una viga en voladizo menor y tres cables. La estructura está modelada en Advance Design. En la siguiente figura, se muestra una ilustración de la estructura, sus dimensiones y sus secciones. Podemos notar que usamos vigas W (doble T) de canto variable. Esta elección se hace para minimizar el peso propio de las vigas en ambos extremos y hacer que el proyecto sea más estético.

Figura 4: Ejemplo de estructura de pórtico en voladizo para aparcamiento
Figura 4: Ejemplo de estructura de pórtico en voladizo para aparcamiento

Después de modelar la estructura, podemos aplicar diferentes cargas, pero para este ejemplo consideraremos solo el peso propio y una carga permanente lineal uniforme de 0,5 kN/m aplicada en la viga mayor (ver figura 5). Esta carga es una estimación de la carga muerta de la cubierta.

Figura 5: Carga lineal aplicada en la viga en voladizo
Figura 5: Carga lineal aplicada en la viga en voladizo

Una vez aplicada la carga, podemos generar una combinación de carga siguiendo un código específico. Para este ejemplo, se selecciona el código canadiense CNB 2015 (ver figura 6)

Figura 6: Creación de combinaciones
Figura 6: Creación de combinaciones

Como se mencionó en la introducción, los cables son estructuras no lineales y, por lo tanto, necesitamos activar el análisis no lineal en el diseño avanzado. Para hacerlo, debemos hacer clic derecho en configuración y hacer clic en estática no lineal.

Figura 7: Activar el análisis no lineal
Figura 7: Activar el análisis no lineal

Para obtener más detalles sobre el análisis geométrico no lineal en Advance Design, consulte este blog (en inglés): Geometrical Non-linear Analysis In Advance Design | GRAITEC CANADA.

A continuación, hacemos clic en el NL que hemos creado. Primero, habilitamos grandes desplazamientos y luego hacemos clic en el icono señalado con la flecha en la siguiente figura.

Figura 8: Configuración de parámetros no lineales
Figura 8: Configuración de parámetros no lineales

A continuación, tenemos que seleccionar una carga o una combinación de cargas haciendo clic en Añadir/Eliminar análisis en la parte inferior izquierda de la ventana. En este ejemplo, seleccionamos la combinación 1.4 D1+1.4 D2.

Figura 9: Adición de una combinación para el análisis no lineal
Figura 9: Adición de una combinación para el análisis no lineal

Una vez hecho esto, podemos mantener los siguientes parámetros de forma predeterminada y ejecutar el análisis FE.

Figura 10: Parámetros de análisis no lineal
Figura 10: Parámetros de análisis no lineal

3. Análisis y resultados

Después de iniciar el análisis, podemos disponer de varios resultados, por ejemplo, el desplazamiento de la estructura sujeta a la carga aplicada (figura 11).

Figura 11: Desplazamiento de la estructura analizada
Figura 11: Desplazamiento de la estructura analizada

Lo que es importante verificar es también la fuerza axial de la estructura. En Advance Design, la fuerza normal Fx es positiva en caso de tracción y negativa en caso de compresión, independientemente de la orientación de x local. Como se muestra abajo (figura 12), los tres cables están sujetos a fuerzas de tracción, la fuerza de tracción máxima es Fx = 15,8 kN y se produce para el cable inferior que une el pie de la columna con la viga pequeña.

Figura 12: Visualización de las fuerzas axiales
Figura 12: Visualización de las fuerzas axiales

Conclusión:

En resumen, las estructuras con cables ofrecen una notable resistencia a la tracción, lo que permite a los arquitectos e ingenieros crear proyectos estructurales ligeros, rentables y visualmente atractivos. El programa Advance Design de Graitec, con su cálculo no lineal, es un software perfecto para analizar estructuras de cables. Usando un ejemplo simple, cubrimos el proceso de modelado, la aplicación de carga y la activación del análisis no lineal. Los resultados destacaron el papel crucial de los cables en el soporte de la estructura debido a su alta resistencia a la tracción.

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