Interfaces 3DShell y 3DSolid. GiD-Sap2000

Resumen

Este documento se ha diseñado a partir de la interfaz GiD-Sap90 (Dr. Francisco Muñoz Salinas) y lo que pretende es hacer una actualización de esta metodología aplicada a las últimas versiones del GiD (Versión 10) y Sap2000 (versiones 12 y 14). Este trabajo se ha llevado a cabo entre investigadores del Instituto de Ingeniería de la UNAM y la Escuela Técnica Superior de Arquitectura del Valles y Barcelona de la U.P.C. Esta actualización incorpora una doble interfaz. Lo que se pretende es que el usuario continúe trabajando en GiD todo el preproceso para la generación de modelos numéricos de geometría compleja y pueda exportar a Sap2000 el archivo para su análisis. Una vez ahí, el usuario puede decidir si continua analizando el modelo dentro de Sap2000 o regresar a GiD mediante esta interfaz para visualizar los resultados en GiD. Estas interfaces son herramientas muy potentes para los usuarios que se dedican a analizar estructuras complejas como lo son los edificios históricos, ya que GiD y su preproceso ha sido creado para trabajar y estructurar mallas sofisticadas geométricamente. Además, esta interfaz le permite al usuario incorporar, dentro de GiD, todas las condiciones que Sap2000 requiere para el análisis numérico de una estructura. En resumen, estas interfaces permiten agilizar el análisis numérico de estructuras complejas como lo son los edificios históricos.

1 Introducción

Este documento ha surgido gracias al trabajo en conjunto entre investigadores del Instituto de Ingeniería de la UNAM y de la Escuela Técnica Superior de Arquitectura de Barcelona y del Vallès de la Universidad Politécnica de Cataluña. El cual tiene por objetivo actualizar la Interfaces GiD – Sap2000 en el tipo de problema 3DShell, así como también generar una nueva interfaz llamada 3DSolid. Para ello este grupo utilizó dos edificios históricos los cuales, representan a dos modelos de geometría compleja como ejemplos prácticos de aplicación: El Sagrario de la ciudad de México y una Iglesia típica del sureste de México.

Se quiere resaltar la importancia que tienen estas interfaces en el análisis numérico de estructuras de geometría compleja, ya que existen dos problemas importantes que dificultan el cálculo: 1) la generación de la geometría y por ende la estructuración de la malla (Preproceso) y, 2) la visualización de los resultados (Postproceso). En lo que respecta a la generación del modelo, el GiD es una herramienta muy potente que permite, de forma fácil y ágil, configurar y estructurar geometrías complejas. Así, se aprovechó esta característica para generar el vínculo directo entre GiD y Sap2000. El programa comercial Sap2000 es uno de los más usado en todo el mundo y permite analizar cualquier tipo de estructura. Por otro lado, esta interfaz permite realizar el postproceso de los resultados visualizando de forma sencilla y en tiempo real los resultados numéricos tanto en Sap2000 como en GiD.

Estas características permiten ampliar las posibilidades de visualización de los análisis numéricos ya que el usuario puede quedarse en el entorno Sap2000 o regresar al del GiD para aprovechar todas las herramientas gráficas que posee y que permiten interpretar de una forma muy sencilla el comportamiento estructural de edificios con geometrías complejas. Cabe mencionar, que estas interfaces se programaron tanto para la versión en español como en Inglés del GiD. De este modo el usuario podrá, al descargar el programa, decidir el idioma de preferencia.

2 Preproceso

El GiD permite importar cualquier archivo de Cad y a partir de éste, comenzar a generar y estructurar la malla, y así mismo el usuario puede generar la geometría desde el inicio en el propio GiD debido a que éste tiene muchas herramientas que permiten configurar cualquier tipo de geometría. En este trabajo, las geometría de los ejemplos que se presentan se generaron en programas de Cad ya que poseen geometrías muy complejas y de un peso informático importante. Además, en el caso del Sagrario se utilizaron metodologías cómo la fotogrametría y el escáner laser para terminar de configurar la geometría. A partir de ello, se importó el archivo de Cad a GiD y se inició todo el preproceso utilizando las interfaces ya mencionadas.

Se ha de resaltar que GiD permite configurar todos y cada uno de los módulo (materiales, condiciones de frontera, datos de problema) que requieren los programas de análisis numérico comercial (Sap2000, Ansys,etc.) para su cálculo. Aprovechando los módulos de GiD se han hecho las modificaciones necesarias de éstos para adaptarlas al programa Sap2000.

A continuación se presenta la forma de utilizar las interfaces realizadas en este trabajo.

Fig. 1. Malla estructurada del modelo del Sagrario de la Ciudad de México

2.1 Tipo de problema

Es aquí, en el tipo de problema donde se le pide a GiD que llame a la interfaz 3DShell la cual ya tiene configurada todos los archivos necesarios para generar un modelo aceptado por Sap2000, tales como: materiales, condiciones de frontera y demás características que definen el tipo de análisis que realizará el Sap2000. Esta parte de la interfaz es la que genera y da formato al archivo que requiere el Sap2000 para su ejecución.

Fig. 2. Asignación de la interfaz 3DShell (Versión Español)

2.2 Condiciones de frontera

Aquí la interfaz define las condiciones de frontera del modelo numérico. Esto quiere decir que el usuario puede restringir tanto los giros como los desplazamientos (en los tres ejes del modelo x.y.z) de la estructura los cuales coinciden con las condiciones de frontera que tiene la estructura en la realidad. De la misma manera, este módulo permite aplicar fuerzas puntuales, directamente en los nodos, así como momentos preestablecidos en los mismos.

Fig. 3. Asignación de las condiciones de borde o de frontera.

2.3 Materiales

Este módulo permite definir todos y cada uno de los materiales que requiere el modelo numérico. Para esto, GiD permite incorporar una biblioteca muy amplia de tipos de materiales, así como sus propiedades mecánicas como son: densidades, coeficiente de poisson, módulo de elasticidad, etc. Es importante resaltar que este módulo está configurado para trabajar con el Sap2000. De este modo, al utilizar la interfaz 3DShell es de suma importancia definir los espesores de cada uno de los materiales asignados a la estructura. Por otro lado, esto no será necesario al utilizar la interfaz 3DSolid.

Fig. 4. Configuración de los tipos de materiales de la estructura.

Fig. 5. Resumen de los materiales asignados a la estructura.

2.4 Datos del problema

Este módulo define las características y el tipo de problema a utilizar. Cabe resaltar que el Sap2000, en el módulo laminar, tiene tres tipos de elementos: shell, membrana y placa. También este módulo permite al usuario definir la versión a utilizar la cual está configurada para Sap2000 versión 12.0.0 y 14.0.0 o cualquier actualización de ellas. De todos los parámetros que definen este módulo, el más importante es el de las unidades por lo que el usuario ha de tener mucho cuidado al definirlas y deben coincidir con la unidades asignadas en el módulo de materiales y que coincida con las características geométricas del modelo en su generación, de lo contrario se podrán generar errores de interpretación. En el apartado de grados de libertad es importante resaltar que si los 6 grados se encuentran activados, quiere decir que el modelo podrá actual en las tres dirección cartesianas y podrá girar de igual manera.

Fig. 6. Configuración del tipo de problema para Sap2000.

3 Exportación a Sap2000

Este módulo es el que inicia el proceso de exportación del archivo para su cálculo en Sap2000. Es aquí donde GiD llama a la interfaz 3DShell.spn.bas para poder darle el formato correcto para su interpretación.

Fig. 7. Inicio de exportación del archivo a Sap2000.

La interfaz 3DShel_spn.bas genera el archivo con el formato de texto con todas las características del modelo que Sap2000 requiere y lo deja listo para poderlo importarlo a éste. Se recomienda que el archivo se guarde con la extensión S2K.

Fig. 8. Descarga del archivo 3DShel_spn.bas en (versión español).

También se recomienda que este archivo se guarde en una capeta diferente a la propia de la interfaz, porque si no se hace así y el usuario inicia el cálculo del modelo y todos los archivos que genere Sap2000 se mezclaran con los de la interfaz.

Fig. 9. Generación del archivo S2K para Sap2000 Versión 12.0.0 o posterior

3.1 Importar a Sap2000

Aquí el usuario solo debe de importar el archivo generado con la Interfaz 3DShell e iniciar la revisión del archivo y comprobar la viabilidad de este.

Fig. 10. Importación del archivo generado en GiD para Sap2000.

Se recomienda al usuario que una vez que haya importado el archivo lo guarde en la versión de Sap2000 (extensión .SDB) para poder iniciar el cálculo.

Fig. 11. Guardado del archivo en versión Sap2000.

Antes de iniciar el análisis es importante que el usuario compruebe si éste se va a realizar solo con el peso propio (PP) o de lo contrario incorpora estados de carga (CM) y si el cálculo se realiza con ambas condiciones la ventana le informara de ello (PP+CM). En los ejemplos aquí presentados solo se realizó el cálculo de peso propio. A partir de este momento el usuario está en condiciones de iniciar el cálculo.

Fig. 12. Inicio del cálculo en el programa Sap2000

Fig. 13. Postproceso de Sap2000 (esfuerzos Smin)

4 Configuración de los resultados del modelo Sap2000 para el postproceso en GiD

Toda vez que se ha realizado el análisis en Sap2000 el usuario tendrá que definir y configurar los resultados para poder exportarlos a GiD.

Fig. 14. Tablas de resultados

La tabla de resultados permite al usuario definir los resultados necesarios para poder exportar a GiD. Esto quiere decir, que aparecen diversas opciones que podrán definir el contenido del archivo a exportar tales como: desplazamientos, esfuerzos, tensiones, etc.

Fig. 15. Seleccion de los resultados a exportar hacia GiD.

Esta opción contiene muchos resultados, pero la interfaz solo requiere desplazamientos, esfuerzos y tensiones, por lo tanto se recomienda al usuario tener claro este proceso. La importación de la tabla de resultados al GiD, aplica automáticamente el formato necesario para su utilización (elimina columnas innecesarios, y colocar en orden toda la información). En este módulo la interfaz contiene un archivo que habrá que buscar para poder generar este formato (ShelSap2000.fmt).

Fig. 16. Selección de la interfaz ShellSap2000.fmt

Fig. 17. Búsqueda de la interfazShellSap2000.fmt

En esta opción el Sap2000 le muestra al usuario todos los datos que va contener el nuevo archivo generado para llevarlo a GiD. Es importante verificar que las unidades que definen este archivo coincidan con las definidas en GiD.

Fig. 18. Visualización de los resultados numéricos generados en Sap2000

A continuación el usuario tendrá que exportar toda esta información en un formato de texto que define Sap2000.

Fig. 19. Exportación de los resultados de Sap2000 a un formato de texto mediante la opción File de Sap

Es importante resaltar que toda la información numérica del análisis deberá de estar contenida en un solo archivo para que GiD sea capaz de reconocerlos e interpretarlos.

Fig. 20. Guardado del archivo exportado desde Sap2000 a la carpeta del entorno de GiD.

Finalmente, se pregunta al usuario si desea continuar con la exportación. Debido a que estos archivos de texto pueden ser muy grandes y por tanto el proceso puede tardar mucho tiempo. Si el usuario se decide por la opción del no, el archivo no será generado.

Fig. 21. información sobre el tamaño del archivo de texto.

A continuación se muestra el formato del archivo que GiD reconocerá para el Postproceso del análisis.

Fig. 22. Visualización de los resultados que se enviarán a GiD.

5 Importación del Archivo Sap2000 a GiD

Es aquí donde la interfaz hace llamar al archivo generado en Sap2000. El usuario solo tiene que desplegar el menú Sap2000 en los comandos de GiD y llamar al Postproceso de Sap2000.

Fig. 23. Comando desde el entorno de GiD que llama al Postproceso de Sap2000.

Es en este momento cuando el usuario busca el archivo generado en la interfaz de Sap2000, el cual contiene toda la información de los resultados numéricos generados en él. No será necesario agregar el nombre del archivo del postproceso ya que el programa usará el nombre del modelo, le agregará la palabra post y lo guardará con la extensión .RES. Las últimas versiones de GiD, aceptan este archivo post para utilizarlo en el Postproceso.

Fig. 24. Archivo que contiene toda la información numérica del análisis generado en Sap2000.

5.1 Post proceso de GiD

A partir de este momento el usuario regresa a GiD y comienza a visualizar los resultados del análisis, es decir el Postproceso de GiD. Aquí el usuario tiene diferentes herramientas que permiten parametrizar la visualización numérica. Toda vez que el archivo de resultados se ha cargado en GiD el usuario se va a archivo y aplica el Postproceso. Así el usuario puede iniciar el análisis de los resultados.

Fig. 25. Postproceso deGiD

Postproceso de Sap2000 y GiD

Tal y como se muestra en esta figura, la única diferencia que existe al representar los resultados es que en GiD solo se muestran los valores establecidos por el usuario y al resto de la geometría no se le asigna color solo se muestra la malla. En Cambio en Sap2000 se muestran los resultados y los valores superiores e inferiores se muestran con dos gamas de colores (azul y magenta).

Fig. 26. Esfuerzos F11con parámetros de +2 a -10.

Fig. 27. Esfuerzos F22 con parámetros de +2 a -10 .

Fig. 28. Tensiones S11con parámetros de +2 a -10 .

Fig. 29. Tensiones S22 con parámetros de +2 a -10 .

La similitud en la representación gráfica de los resultados, tanto del Sap2000 como en el GiD, son bastante similares. Pero hay que reconocer que la velocidad en la visualización de los resultados es mucho más dinámica con el GiD que con el Sap2000.

7 Interfaz 3Dsolid

La metodología de esta Interfaz tiene el mismo proceso de la 3DShell por lo cual solo se presentan algunas imágenes del modelo utilizado para comprobar la interface.

Fig. 30. Malla estructurada del modelo de Solid en GiD de una Iglesia tipo del sureste Mexicano.

El procedimiento que se sigue con la interface 3DShell es la misma para la interface 3DSolid. La diferencia respecto a los modelos hechos con Shell, sólo se observa en los resultados. Los resultados del elemento Solido se limitan a tensiones y desplazamientos. Además, existe un archivo un archivo para este tipo de modelos llamado SolidSap2000.fmt, el cual está incluido en la interface 3dSolid, para darles el formato adecuado para que los acepte el Sap2000.

Fig. 31. Tensiones S11 del modelo de Solid en el Postproceso de Sap2000.

Fig. 32. Tensiones S22 del modelo de Solid en el Postproceso de Sap2000.

Fig. 33. Tensiones S11 del modelo Solid en el Postproceso de Gid.

Fig. 34. Tensiones S22 del modelo Solid en el Postproceso de Gid.

ANEXO 1. INTERFAZ 3DSHELL Y 3DSOLID

En este documento se han incorporado las interface de 3DShell y 3DSolid. A continuación se presentan los archivos incorporados.

Interfaz 3DShell versión en español

3dShell_spn.Bas (Este archivo hace la transferencia de datos para Sap2000)

3dShell_spn.Bat (Este archivo establece el directorio de trabajo del GiD)

3dShell_spn.cnd (Este archivo impone las condiciones de frontera del modelo)

3dShell_spn.Mat (Este archivo define las características de los materiales del modelo)

3dShell_spn.Prb (Este archivo define las características generales del modelo)

3dShell_spn.Tcl (Este archivo crea el Menú Sap2000 con sus comandos)

Interfaz 3DSolid versión en español

3dSolid_spn.Bas (Este archivo hace la transferencia de datos para Sap2000)

3dSolid_spn.Bat (Este archivo establece el directorio de trabajo del GiD)

3dSolid_spn.cnd (Este archivo impone las condiciones de frontera del modelo)

3dSolid_spn.Mat (Este archivo define las características de los materiales del modelo)

3dSolid_spn.Prb (Este archivo define las características generales del modelo)

3dSolid_spn.Tcl (Este archivo crea el Menú Sap2000 con sus comandos)

Interfaz 3DShell versión en inglés

3dShell_eng.Bas (Este archivo hace la transferencia de datos para Sap2000)

3dShell_eng.Bat (Este archivo establece el directorio de trabajo del GiD)

3dShell_eng.cnd (Este archivo impone las condiciones de frontera del modelo)

3dShell_eng.Mat (Este archivo define las características de los materiales del modelo)

3dShell_eng.Prb (Este archivo define las características generales del modelo)

3dShell_eng.Tcl (Este archivo crea el Menú Sap2000 con sus comandos)

Interfaz 3DSolid versión en inglés

3dSolid_eng.Bas (Este archivo hace la transferencia de datos para Sap2000)

3dSolid_eng.Bat (Este archivo establece el directorio de trabajo del GiD)

3dSolid_eng.cnd (Este archivo impone las condiciones de frontera del modelo)

3dSolid_eng.Mat (Este archivo define las características de los materiales del modelo)

3dSolid_eng.Prb (Este archivo define las características generales del modelo)

3dSolid_eng.Tcl (Este archivo crea el Menú Sap2000 con sus comandos)

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