Autor
Damià Milanés
Profesor en los Másters de Estructuras Metálicas y Mixtas en Edificación, Cimentaciones y Estructuras de Contención y en Estructuras de Edificación con CYPE en en Zigurat Global Institute of Technology.
Interoperabilidad BIM aplicada al diseño estructural en acero (Parte I)
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Sin lugar a dudas el BIM (Building Information Modelling) ha venido para quedarse. Cada vez más las administraciones públicas requieren que los proyectos se desarrollen y presenten basados en la tecnología BIM. Al mismo tiempo trabajar con BIM permite una comunicación directa y clara entre todos los agentes intervinientes en un proyecto estructural: cliente, despacho de ingeniería, taller o constructora.
Cada vez más se le exige al proyectista estructural ciertos conocimientos en BIM que le permitan poder interoperar con las diferentes herramientas implicadas en las fases del proyecto: fases de diseño y cálculo estructural, así como fase final de detallado.
En el Máster Internacional de Estructuras Metálicas y Mixtas de Zigurat somos conscientes de ello y potenciamos de forma continuada todos estos recursos BIM orientados al diseño estructural en acero.
Dentro del día a día en un despacho de ingeniería este flujo de información entre herramientas es ya una realidad, realidad que también se encuentra en constante cambio. Los despachos deben trabajar con BIM si no quieren quedarse rezagados en un sector de gran competencia.
En esta secuencia de tres artículos que vamos a ir encadenando nos centraremos en uno de los flujos de trabajo por excelencia dentro de un despacho de ingeniería debido, sobre todo, a su elevado potencial y su capacidad de “abordarlo prácticamente todo”. Nos referimos a la interoperabilidad entre Consteel, Idea Statica Connection y Tekla Structures:
CONSTEEL
: herramienta de cálculo global por elementos finitos con el que podemos analizar con sumo detalle “cómo se mueve la estructura” gracias a la posibilidad de análisis considerando 7GdL, al cálculo en 2º orden y al estudio exhaustivo de estabilidad (sensibilidad a pandeo y pandeo lateral). Incorpora módulo específico para conexiones (ConsteelJoint) y enlace directo con Idea Statica Connection.
: herramienta por excelencia para el detallado 3d de estructuras, la generación de planos generales, de detalle y de fabricación en taller (planos de parte y conjunto) así como la elaboración de informes de materiales.
Los estudiantes del máster disponen de licencias de todas estas herramientas durante el periodo lectivo del máster gracias al apoyo y al soporte de Construsoft, entidad colaboradora de Zigurat Global Institute of Technology.
En esta primer entregable nos centraremos en el modelado estructural de un pórtico tipo en Consteel. En particular, pondremos el foco en el análisis de estabilidad. Este análisis de estabilidad nos permitirá ir optimizando su diseño de forma continuada viendo en cada momento cuáles son los modos de pandeo dominantes.
En artículos venideros, abordaremos la transferencia de información a Idea Statica y Tekla Structures.
Nos centraremos en el diseño de un pórtico plano con una luz entre columnas de 25m y una altura máxima en cumbrera de 9250 mm. Diseñamos el pórtico con perfiles ordinarios de inercia constante HEA para las columnas e IPE para el dintel y añadimos cartelas en los encuentros dintel-columna y en cumbrera. Para estas cartelas, por simplicidad, utilizaremos el mismo perfil del dintel cortado en diagonal:
Introducimos carga muerta “CM”, carga viva “SCuso” y dos hipótesis de viento que se corresponden al viento incidiendo en sentido longitudinal y transversal “V1 y V2”.
Consteel de forma automática genera todas las combinaciones de carga.
Introducimos las condiciones de contorno en las bases de las columnas. Bases empotradas coaccionando los 7GdL: los tres desplazamientos, los tres giros y el posible alabeo.
Bases 1 y Bases 2
Uno de los puntos fuertes de Consteel es que permite “ver” con sumo detalle cómo deforman todos los elementos de la estructura pudiendo obtener los diferentes modos de pandeo para cada una de las combinaciones de carga.
Consteel incorpora, entre sus múltiples opciones de cálculo, el método general recogido en EN 1993-1—1 6.3.4. Es el método “más general” ya que permite abordar casos complejos y es el único habilitado para tratar piezas no prismáticas de inercia variable “tapered members”. Con esta metodología se busca obtener también un factor reductor “χop” por pandeo para considerar la reducción de capacidad debido a los fenómenos de inestabilidad a partir de una esbeltez adimensional. Pandeo que puede ser de diferente naturaleza: pandeo flexional (compresión), torsión flexión (secciones abiertas, cruciformes...) y pandeo lateral (piezas con mucha disparidad entre inercia fuerte y débil, sometidas a flexión y escaso arriostramiento lateral). Ejemplarizamos el paso a paso del “Método General” a un caso de compresión pura:
The “General Method” of EN 1993-1-1. Dr.József Szalai, of ConSteel Solutions Ltd
Como indicamos en la imagen anterior, la diferencia principal con los métodos tradicionales recae en cómo se obtiene el axil crítico de pandeo. Mientras los métodos tradicionales utilizan longitudes o coeficientes de pandeo ficticios que afectan a las longitudes reales de las barras analizadas como miembros aislados según unas condiciones en los extremos y aplicando nomogramas, tablas y/o fórmulas analíticas.
En el método general el axil crítico de pandeo se obtiene considerando un análisis exhaustivo de pandeo sin necesidad de introducir nosotros ni coeficientes ni longitudes de pandeo. El valor de alfa crítica obtenido no deja de ser un indicador de cuánto de lejos estamos de la carga crítica de pandeo.
Acabamos de ver el step by step aplicado a compresión pura pero recordemos que Consteel sigue una metodología similar para casos de flexión e incluso para casos de interacción de esfuerzos axil-flexión.
Hecho este pequeño vistazo al método general volvemos a nuestro ejemplo. En una estructura no solo podemos tener modos de pandeo que afecten a distintos miembros de la estructura sino que estos modos de pandeo dependerán de qué combinación de cargas estemos considerando en cada momento. Por este motivo Consteel incorpora el “Análisis de sensibilidad a pandeo” que nos permite detectar qué miembro resulta crítico en términos de estabilidad. Para ello determina la energía de deformación que absorbe cada elemento. Al elemento que absorbe más energía se le asigna un valor del 100% y al resto se les asigna un valor en proporción al valor máximo.
Con este análisis de sensibilidad frente al pandeo, podemos identificar el dintel como el elemento crítico, será el que “pandeará antes”. Vemos como para todas las diferentes combinaciones de carga es el dintel el miembro más inestable. Consteel no solo nos indica el miembro en cuestión, también nos indica cuál es el modo de pandeo que domina bien sea pandeo por torsión, pandeo por flexión alrededor del eje fuerte o débil y pandeo lateral. En nuestro caso, es el pandeo lateral del dintel el modo de pandeo que nos afecta. Veamos como el programa nos identifica que ésta es la forma de pandeo protagonista (BCFM=100%):
Fijémonos como la forma de pandeo dominante es la relativa al pandeo lateral, el dintel tiende a girar respecto a su directriz y a desplazarse lateralmente ya que no se han introducido coacciones laterales...
El valor de alfa crítica obtenido es de solo 0,33. Quiere decir que con menos carga de la que aplica, con 1/3 de la solicitación que aplica, el dintel ya sufre de inestabilidad.
Surge la necesidad de mejorar la estabilidad del dintel. Proponemos un segundo modelo coaccionando en alero y cumbrera donde se posicionarán tubos de compresión en el centro de la sección, evitando la tendencia al desplazamiento.
Ahora aparecen “nuevas formas de pandeo” para la combinación de cargas 22 que es la que genera la máxima carga gravitatoria sobre el dintel. En esta situación tenemos compresión en ala superior, es aquí donde se inicia el posible pandeo lateral, veámoslo...
En la siguiente iteración proponemos considerar nuevas coacciones intermedias en la sección central de los faldones:
Veamos en la imagen siguiente cómo ahora ocurre un cambio importante. Ahora el modo de pandeo dominante se origina en el ala inferior:
Por lo tanto proponemos añadir nuevas restricciones en las alas inferiores (tornapuntas) justo en la zona del acartelamiento columna-dintel:
Evitando la inestabilidad en estas zonas del dintel. Veamos cómo esta forma de inestabilidad ya no aparece:
Valoremos qué ocurre en este último modelo resultante (4), hagamos un resumen.
Ante cargas ascendentes que provocan en la zona central del dintel compresiones en el ala inferior (combinación de cargas que mayora el viento de succión x1,50, combinación 9), vemos como obtenemos
Ante cargas descendentes que provocan en la zona central del dintel compresiones en el ala superior (combinación de cargas que mayora las cargas muertas x1,35 y la SCuso por 1,50, combinación 22), vemos como obtenemos:
Obtenemos valores de alfas críticas entorno a un valor de 3. Esto quiere decir que este modo de pandeo dominante, inestabilidad fuera del plano del dintel, se desencadenaría si la solicitación existente se magnificara por un factor de 3. Este valor de referencia a cr=3, no deja de ser un factor de seguridad en relación a la estabilidad de la estructura.
Con el análisis de los modos de pandeo, también somos capaces de identificar aquel modo de pandeo que se produce en el plano del pórtico y que desplaza todos los nudos del pórtico en una misma dirección. Este modo de pandeo nos indicará cuánto de intraslacional/traslacional es nuestra estructura.
Para la combinación de mayor carga gravitatoria, la comprobación (22) que nos genera la máxima carga vertical en el pórtico, encontramos dicho modo de pandeo. Lo vemos:
Observamos como el factor obtenido para este modo de pandeo es del orden de 57, valor muy superior a 10, frontera que nos marca el comportamiento traslacional/intraslacional. Podemos afirmar pues, que el pórtico es altamente intraslacional pudiendo calcular en 1er orden.
Para ir cerrando el artículo, nos gustaría destacar la importancia de analizar la estabilidad estructural desde fases tempranas de proyecto por el motivo que comentábamos al principio: poder ir viendo “cómo se deforma la estructura” en todo momento. Más aún en estructuras metálicas donde utilizaremos, probablemente, secciones delgadas y miembros de grandes esbelteces. Sin duda Consteel es una herramienta potentísima para abordar todos estos tópicos de diseño y dimensionado estructural.
Próximamente publicaremos un segundo artículo en el que seguiremos exprimiendo este ejemplo. Charlaremos sobre la interoperabilidad entre Consteel e Idea Statica Connection. Veremos:
- Cómo exportar la información de los perfiles y las cargas actuantes en los nudos de Consteel hacia Idea Statica.
- Cómo diseñar y analizar los resultados más importantes para las conexiones entre dintel y columna así como para la placa base de la columna. Todo ello en Idea Statica.
Aprovechamos para recordarles otros artículos en los cuales, el flujo BIM entre herramientas también estuvo muy presente. En estos casos vimos el flujo de trabajo entre Cype 3d y Cype Connect. Os animamos a echarle un vistazo también:
CONSTEEL: herramienta de cálculo global por elementos finitos con el que podemos analizar con sumo detalle “cómo se mueve la estructura” gracias a la posibilidad de análisis considerando 7GdL, al cálculo en 2º orden y al estudio exhaustivo de estabilidad (sensibilidad a pandeo y pandeo lateral). Incorpora módulo específico para conexiones (ConsteelJoint) y enlace directo con Idea Statica Connection.
IDEA STATICA CONNECTION
: herramienta de cálculo y diseño de conexiones por elementos finitos. Con enlace directo con Consteel.
: herramienta por excelencia para el detallado 3d de estructuras, la generación de planos generales, de detalle y de fabricación en taller (planos de parte y conjunto) así como la elaboración de informes de materiales.
Los estudiantes del máster disponen de licencias de todas estas herramientas durante el periodo lectivo del máster gracias al apoyo y al soporte de Construsoft, entidad colaboradora de Zigurat Global Institute of Technology.
En esta primer entregable nos centraremos en el modelado estructural de un pórtico tipo en Consteel. En particular, pondremos el foco en el análisis de estabilidad. Este análisis de estabilidad nos permitirá ir optimizando su diseño de forma continuada viendo en cada momento cuáles son los modos de pandeo dominantes.
En artículos venideros, abordaremos la transferencia de información a Idea Statica y Tekla Structures.
“Consteel” Diseño global y estabilidad
Nos centraremos en el diseño de un pórtico plano con una luz entre columnas de 25m y una altura máxima en cumbrera de 9250 mm. Diseñamos el pórtico con perfiles ordinarios de inercia constante HEA para las columnas e IPE para el dintel y añadimos cartelas en los encuentros dintel-columna y en cumbrera. Para estas cartelas, por simplicidad, utilizaremos el mismo perfil del dintel cortado en diagonal:
Introducimos carga muerta “CM”, carga viva “SCuso” y dos hipótesis de viento que se corresponden al viento incidiendo en sentido longitudinal y transversal “V1 y V2”.
Consteel de forma automática genera todas las combinaciones de carga.
Introducimos las condiciones de contorno en las bases de las columnas. Bases empotradas coaccionando los 7GdL: los tres desplazamientos, los tres giros y el posible alabeo.
Bases 1 y Bases 2
Uno de los puntos fuertes de Consteel es que permite “ver” con sumo detalle cómo deforman todos los elementos de la estructura pudiendo obtener los diferentes modos de pandeo para cada una de las combinaciones de carga.
Introducción al Método General
Consteel incorpora, entre sus múltiples opciones de cálculo, el método general recogido en EN 1993-1—1 6.3.4. Es el método “más general” ya que permite abordar casos complejos y es el único habilitado para tratar piezas no prismáticas de inercia variable “tapered members”. Con esta metodología se busca obtener también un factor reductor “χop” por pandeo para considerar la reducción de capacidad debido a los fenómenos de inestabilidad a partir de una esbeltez adimensional. Pandeo que puede ser de diferente naturaleza: pandeo flexional (compresión), torsión flexión (secciones abiertas, cruciformes...) y pandeo lateral (piezas con mucha disparidad entre inercia fuerte y débil, sometidas a flexión y escaso arriostramiento lateral). Ejemplarizamos el paso a paso del “Método General” a un caso de compresión pura:
The “General Method” of EN 1993-1-1. Dr.József Szalai, of ConSteel Solutions Ltd
Como indicamos en la imagen anterior, la diferencia principal con los métodos tradicionales recae en cómo se obtiene el axil crítico de pandeo. Mientras los métodos tradicionales utilizan longitudes o coeficientes de pandeo ficticios que afectan a las longitudes reales de las barras analizadas como miembros aislados según unas condiciones en los extremos y aplicando nomogramas, tablas y/o fórmulas analíticas.
En el método general el axil crítico de pandeo se obtiene considerando un análisis exhaustivo de pandeo sin necesidad de introducir nosotros ni coeficientes ni longitudes de pandeo. El valor de alfa crítica obtenido no deja de ser un indicador de cuánto de lejos estamos de la carga crítica de pandeo.
Acabamos de ver el step by step aplicado a compresión pura pero recordemos que Consteel sigue una metodología similar para casos de flexión e incluso para casos de interacción de esfuerzos axil-flexión.
Hecho este pequeño vistazo al método general volvemos a nuestro ejemplo. En una estructura no solo podemos tener modos de pandeo que afecten a distintos miembros de la estructura sino que estos modos de pandeo dependerán de qué combinación de cargas estemos considerando en cada momento. Por este motivo Consteel incorpora el “Análisis de sensibilidad a pandeo” que nos permite detectar qué miembro resulta crítico en términos de estabilidad. Para ello determina la energía de deformación que absorbe cada elemento. Al elemento que absorbe más energía se le asigna un valor del 100% y al resto se les asigna un valor en proporción al valor máximo.
Con este análisis de sensibilidad frente al pandeo, podemos identificar el dintel como el elemento crítico, será el que “pandeará antes”. Vemos como para todas las diferentes combinaciones de carga es el dintel el miembro más inestable. Consteel no solo nos indica el miembro en cuestión, también nos indica cuál es el modo de pandeo que domina bien sea pandeo por torsión, pandeo por flexión alrededor del eje fuerte o débil y pandeo lateral. En nuestro caso, es el pandeo lateral del dintel el modo de pandeo que nos afecta. Veamos como el programa nos identifica que ésta es la forma de pandeo protagonista (BCFM=100%):
Fijémonos como la forma de pandeo dominante es la relativa al pandeo lateral, el dintel tiende a girar respecto a su directriz y a desplazarse lateralmente ya que no se han introducido coacciones laterales...
El valor de alfa crítica obtenido es de solo 0,33. Quiere decir que con menos carga de la que aplica, con 1/3 de la solicitación que aplica, el dintel ya sufre de inestabilidad.
Surge la necesidad de mejorar la estabilidad del dintel. Proponemos un segundo modelo coaccionando en alero y cumbrera donde se posicionarán tubos de compresión en el centro de la sección, evitando la tendencia al desplazamiento.
Ahora aparecen “nuevas formas de pandeo” para la combinación de cargas 22 que es la que genera la máxima carga gravitatoria sobre el dintel. En esta situación tenemos compresión en ala superior, es aquí donde se inicia el posible pandeo lateral, veámoslo...
En la siguiente iteración proponemos considerar nuevas coacciones intermedias en la sección central de los faldones:
Veamos en la imagen siguiente cómo ahora ocurre un cambio importante. Ahora el modo de pandeo dominante se origina en el ala inferior:
Por lo tanto proponemos añadir nuevas restricciones en las alas inferiores (tornapuntas) justo en la zona del acartelamiento columna-dintel:
Evitando la inestabilidad en estas zonas del dintel. Veamos cómo esta forma de inestabilidad ya no aparece:
Valoremos qué ocurre en este último modelo resultante (4), hagamos un resumen.
Ante cargas ascendentes que provocan en la zona central del dintel compresiones en el ala inferior (combinación de cargas que mayora el viento de succión x1,50, combinación 9), vemos como obtenemos
Ante cargas descendentes que provocan en la zona central del dintel compresiones en el ala superior (combinación de cargas que mayora las cargas muertas x1,35 y la SCuso por 1,50, combinación 22), vemos como obtenemos:
Obtenemos valores de alfas críticas entorno a un valor de 3. Esto quiere decir que este modo de pandeo dominante, inestabilidad fuera del plano del dintel, se desencadenaría si la solicitación existente se magnificara por un factor de 3. Este valor de referencia a cr=3, no deja de ser un factor de seguridad en relación a la estabilidad de la estructura.
Con el análisis de los modos de pandeo, también somos capaces de identificar aquel modo de pandeo que se produce en el plano del pórtico y que desplaza todos los nudos del pórtico en una misma dirección. Este modo de pandeo nos indicará cuánto de intraslacional/traslacional es nuestra estructura.
Para la combinación de mayor carga gravitatoria, la comprobación (22) que nos genera la máxima carga vertical en el pórtico, encontramos dicho modo de pandeo. Lo vemos:
Observamos como el factor obtenido para este modo de pandeo es del orden de 57, valor muy superior a 10, frontera que nos marca el comportamiento traslacional/intraslacional. Podemos afirmar pues, que el pórtico es altamente intraslacional pudiendo calcular en 1er orden.
Para ir cerrando el artículo, nos gustaría destacar la importancia de analizar la estabilidad estructural desde fases tempranas de proyecto por el motivo que comentábamos al principio: poder ir viendo “cómo se deforma la estructura” en todo momento. Más aún en estructuras metálicas donde utilizaremos, probablemente, secciones delgadas y miembros de grandes esbelteces. Sin duda Consteel es una herramienta potentísima para abordar todos estos tópicos de diseño y dimensionado estructural.
Próximamente publicaremos un segundo artículo en el que seguiremos exprimiendo este ejemplo. Charlaremos sobre la interoperabilidad entre Consteel e Idea Statica Connection. Veremos:
- Cómo exportar la información de los perfiles y las cargas actuantes en los nudos de Consteel hacia Idea Statica.
- Cómo diseñar y analizar los resultados más importantes para las conexiones entre dintel y columna así como para la placa base de la columna. Todo ello en Idea Statica.
Aprovechamos para recordarles otros artículos en los cuales, el flujo BIM entre herramientas también estuvo muy presente. En estos casos vimos el flujo de trabajo entre Cype 3d y Cype Connect. Os animamos a echarle un vistazo también:
- Flujo de trabajo con Cype Connect Steel para el diseño de conexiones entre barras de acero
- Diseño de conexiones por elementos finitos con Cype Connect Steel
