Informática Aplicada Phillipo G. Correa Marchant Departamento de Ingeniería Civil, Universidad de Chile Santiago, Chile Marzo de 2007 Elaboración, guión y locución a cargo del Dpto. de Ingeniería Civil de la Universidad de Chile con coordinación del Ing. Ricardo Herrera

Informática Aplicada Introducción CONTENIDO Introducción Recopilación de Información Necesaria Procedimiento para el Diseño Automático Software Usados Actualmente Sap2000 Risa 3D Staad Pro Este modulo nos entrega un procedimiento para el diseño automático de estructuras de acero con los software comerciales más usados actualmente. El capítulo comienza con una introducción al diseño automático, seguida de la identificación de la información que se debe recopilar antes de realizar un modelo computacional. A continuación se describe un procedimiento para el uso de un software comercial. Luego se dan a conocer los software comerciales de mayor uso que están disponibles en el mercado. Finalmente, se presenta una aplicación del diseño automático con estos tres software comerciales.

RESPONSABILIDAD DEL INGENIERO 1. Introducción RESPONSABILIDAD DEL INGENIERO El Diseño Estructural es de exclusiva responsabilidad del ingeniero civil a cargo de la estructura. Si bien en la actualidad existen software que facilitan el diseño por parte del ingeniero, estos no lo eximen de la responsabilidad asociada a la realización del mismo. Es necesario enfatizar que el proceso de diseño es de exclusiva responsabilidad del ingeniero a cargo de la estructura. El uso de una herramienta computacional para realizar el diseño no exime, en ningún caso, de la responsabilidad del diseño. Por lo tanto el análisis realizado por el software se puede tomar como un punto de partida para un análisis definitivo y acabado de la estructura.

REQUISITOS DEL SOFTWARE 1. Introducción REQUISITOS DEL SOFTWARE Variables a considerar en la elección de un software: Cantidad de usuarios en el mundo. Archivos de chequeo de casos típicos. Máxima cantidad de elementos. Interfaz gráfica. Motor de solución. Despliegue de resultados. El primer paso es comprar una licencia de un software si es que no la tenemos. Siendo el precio una variable importante también existen otras variables que deben ser consideradas a la hora de elegir el software. Cantidad de usuarios en el mundo: Mientras más ingenieros hagan uso del software, más revisores potenciales existen. No hay software que no tenga errores. Archivos de chequeo de casos típicos: Siempre se debe validar el análisis que se va a realizar, la mayoría de los software comerciales traen casos típicos resueltos. Se aconseja al ingeniero realizar el cálculo de una estructura sencilla con algún método manual aproximado y luego proceder a resolverla con el software, esto tiene dos grandes ventajas, primero se valida el software para un caso conocido y segundo el ingeniero se familiariza con el uso del software. Máxima cantidad de elementos: Se debe tener en cuenta que el espacio de memoria y la capacidad de procesamiento del computador son variables que están limitadas, por lo tanto se debe consultar al fabricante del software (o en el manual) cuantos y cuales son las limitaciones para cada uno de los elementos que el programa permite modelar. Interfaz gráfica: Un programa no solo puede ser usado como una ayuda al ingeniero para resolver una estructura, sino que también puede ser usado como una exitosa herramienta de marketing con el cliente, por ende una interfaz gráfica amigable no solo ayuda al proceso de ingeniería sino también a una futura venta. Motor de solución: Debemos consultar cual es el lenguaje de programación del software, el lenguaje de programación va íntimamente ligado al tiempo de proceso de la estructura. Debido al alto costo que representa una licencia cada vez más empresas prefieren instalar licencias compartidas en los servidores, por lo que el tiempo de uso del software pasa a ser una variable relevante en la toma de decisión. Despliegue de resultados: Al igual que la interfaz gráfica, un buen despliegue de resultados permite al ingeniero visualizar de mejor manera los elementos o cargas que controlan el diseño. Y a su vez también puede llegar a ser una efectiva herramienta para el área de marketing.

INFORMACIÓN A RECOPILAR 1. Introducción INFORMACIÓN A RECOPILAR Antes de realizar cualquier modelación se requiere recopilar algunos datos básicos para el modelo: Material de los elementos. Información del prediseño, si es que existe. Geometría de la estructura. Condiciones de apoyo de los elementos. Cargas. Combinaciones de carga. Para realizar una modelación se requiere tener toda la información de lo que se va a modelar. Por lo tanto el primer paso es tener unas bases de cálculo completas. Por base de cálculo nos referimos al documento que condensa la información necesaria para poder realizar el análisis. Información mínima que debe contener una base de cálculo es: material de los elementos, información del prediseño o etapa anterior de ingeniería, geometría de la estructura, condiciones de apoyo de los elementos, cargas y combinaciones de carga.

1. Introducción DISEÑO AUTOMÁTICO Para la realización de un diseño automático se deben tener en cuenta diversos factores: Familiarización con el software a usar. Procedimiento sistemático de uso del software. Distintos niveles de control en el ingreso de datos. Distintos niveles de control en la salida por parte del software. EL software nos va a ser tan útil como el conocimiento que tengamos de él. Para poder realizar un buen uso de la herramienta se debe tener en cuenta una serie de factores. Es una obligación antes de usar un software el realizar una etapa previa de familiarización con él, esta familiarización puede ser a través de la asistencia a un curso de capacitación o con el estudio del manual del usuario que este disponga. Debemos tener un procedimiento sistemático, claro, preciso y conciso de la modelación en el software, este procedimiento debe ser revisado y mejorado continuamente por los usuarios del software. Se debe contar con una serie de chequeos en el ingreso de datos para evitar errores. Se debe contar con una serie de chequeos para evaluar si es que la solución entregada por el software es correcta.

2. Recopilación de información necesaria PROCESO DE DISEÑO Datos necesarios antes de modelar una estructura: Material de los elementos. Información del prediseño, si es que existe. Geometría de la estructura. Condiciones de apoyo. Cargas. Combinaciones de carga. Para realizar una modelación se requiere tener toda la información de lo que se va a modelar. Por lo tanto el primer paso es tener unas bases de cálculo completas. Se debe tener claro el material de que están compuesto los elementos a modelar (A36, A572 Gr. 50, etc.) En etapas avanzadas de ingeniería (Detalles o Básica) debemos respaldarnos con los prediseños realizados en las etapas anteriores (Básica y Factibilidad respectivamente). Antes de optimizar una estructura debemos entender a cabalidad la estructuración que fue definida, luego que tengamos claro como se resolvió el problema en las etapas anteriores podemos tratar de optimizar la solución. Antes de modelar la estructura se debe realizar una ronda de coordinación con todas las disciplinas involucradas en el uso de la estructura (mecánica, piping, electricidad, instrumentación, procesos, etc..) para conocer el estado de avance del layout por parte de las demás disciplinas y así evitar perder tiempo modelando una estructura que va a sufrir cambios mayores en el transcurso del proyecto. Las condiciones de apoyo se definen con la ubicación geográfica de la estructura y apoyados en el informe de mecánica de suelos preparado por el especialista. Las cargas y solicitaciones dependen de la ubicación geográfica y el uso que va a tener la estructura. Las combinaciones de carga dependen de la norma de diseño que se este usando.

3. Procedimiento de diseño automático MODELO Unidades Geometría Condiciones de Borde Tipos de Apoyos Materiales Perfiles Cargas Unitarias Combinaciones de Carga Revisar diseño Diseño Automático Para evitar cometer errores en el proceso de modelamiento de una estructura, se debe contar con un procedimiento claro y sencillo, que demuestre con el uso su fortaleza. Todo procedimiento debe ser ajustado y mejorado con el tiempo. Factores de Utilización No cumple Cumple Fin Procedimiento de diseño estructural automático

4. Software usados actualmente SOFTWARE COMERCIALES Software más usados en la actualidad: Si bien existen muchos software que realizan diseños automáticos, nos enfocaremos en solo tres. Los tres software más usados por los ingenieros en el mudo son: SAP2000, RISA 3D y STAAD PRO. Cada uno tiene puntos altos y puntos bajos con respecto a los otros, en este modulo nos remitiremos a realizar un análisis de una estructura sencilla con los tres software. En juicio de valor lo emitirá cada uno, no es la intención ni tampoco lo será el determinar cuál software posee un mejor desempeño.

5. Sap 2000 SAP 2000 En esta unidad analizaremos el software Sap 2000 Versión 10 de Computers and Structures, Inc., más información en www.csiberkeley.com

5. Unidades SAP 2000 Para la declaración de unidades debemos hacer clic en la zona que está marcada con el circulo rojo. Esto desplegará una lista con las unidades básicas que podemos elegir para el análisis.

5. Materiales SAP 2000 Para la declaración de materiales debemos hacer clic en la zona que está marcada con el circulo rojo. Esto desplegará un menú donde debemos seleccionar materiales, tal como lo indica la flecha roja. Esto desplegará una pantalla especial con los materiales que se están usando. Para modificar un material debemos hacer clic en la zona que está marcada con el circulo rojo.

5. Secciones SAP 2000 Para la declaración de secciones debemos hacer clic en la zona que está marcada con el circulo rojo. Esto desplegará un menú donde debemos seleccionar secciones, tal como lo indica la flecha roja. Esto desplegará una pantalla especial con las secciones que se están usando. Para modificar una sección debemos hacer clic en la zona que está marcada con el circulo rojo.

5. Geometría SAP 2000 Para la declaración de las coordenadas de nodos debemos hacer clic en la zona que está marcada con el circulo rojo. Esto desplegará un menú donde debemos seleccionar Joint, tal como lo indica la flecha roja. Esto desplegará una pantalla especial con la distancia a la que queremos copiar el nuevo nodo con respecto del que hagamos clic. Al pasar por la intersección de la grilla el programa nos permitirá con solo un clic colocar un nodo. Una vez colocados los nodos nuestro modelo debería lucir como se ve en pantalla. Para la declaración de las conectividades de las barras debemos hacer clic en la zona que está marcada con la flecha roja. Esto desplegará un menú donde debemos seleccionar Frame, tal como lo indica la flecha roja. Esto desplegará una pantalla especial donde nos permitirá elegir el perfil que deseamos usar y asignarlo gráficamente a dos nodos.

5. Condiciones de Borde SAP 2000 Para la declaración de las condiciones de borde de los elementos (empotrado, rotulado, etc.) debemos seleccionar un elemento. Se encuentra marcada una viga con el círculo rojo. A continuación debemos hacer clic donde dice Asignar, zona que está marcada con el circulo rojo. Esto desplegará un menú donde debemos seleccionar Frame, tal como lo indica la flecha roja. Luego se desplegará un menú donde debemos seleccionar Release, tal como lo indica la flecha roja. Esto desplegará una pantalla especial donde podemos modificar las condiciones de borde de los elementos. Se pueden declarar condiciones distintas en el nodo inicial y en el nodo final.

5. Apoyos SAP 2000 Para la declaración de los apoyos (empotrado, rotulado, etc.) debemos seleccionar los nodos respectivos y luego hacer clic en la zona que está marcada con el circulo rojo. Esto desplegará un menú donde debemos seleccionar Joint, tal como lo indica la flecha roja. Luego se desplegará un menú donde debemos seleccionar Restraints, tal como lo indica la flecha roja. Esto desplegará una pantalla especial donde podemos modificar las condiciones de apoyo de los nodos.

5. Cargas Unitarias SAP 2000 Para la declaración de las cargas en los elementos debemos seleccionar un elemento. Se encuentra marcada una columna con el circulo rojo. A continuación debemos hacer clic donde dice Asignar, zona que está marcada con el circulo rojo. Esto desplegará un menú donde debemos seleccionar Frame Load, tal como lo indica la flecha roja. Luego se desplegará un menú donde debemos seleccionar Distributed, tal como lo indica la flecha roja. Esto desplegará una pantalla especial donde podemos indicar la carga que será aplicada al elemento seleccionado. A continuación se muestran las cargas horizontales y verticales aplicadas.

5. Combinaciones de Cargas SAP 2000 Para la declaración de las combinaciones de carga debemos hacer clic en la zona que está marcada con el círculo rojo. Esto desplegará un menú donde debemos seleccionar Combinaciones, tal como lo indica la flecha roja. Esto desplegará una pantalla especial con las combinaciones que se están usando. Para modificar una combinación debemos hacer clic en la zona que está marcada con el circulo rojo. Esto desplegará una pantalla especial donde podemos ingresar los distintos tipos de combinaciones entre cargas, en nuestro caso horizontales y verticales.

5. Cambios al Diseño SAP 2000 A veces debemos ingresar manualmente cambios a los parámetros de diseño usados por el software. Para la modificación de parámetros de diseño debemos hacer clic en la zona que está marcada con el círculo rojo. Esto desplegará un menú donde debemos seleccionar Steel Frame Design, tal como lo indica la flecha roja. A continuación debemos hacer clic donde dice View/Revise Overwrites, tal como lo indica la flecha roja. Esto desplegará un menú donde podemos modificar largos de pandeo, largos de volcamiento, Cb, Cm y una serie de otros parámetros.

5. Modelo Final SAP 2000 Ahora se puede observar en pantalla el modelo final terminado. Para que el software realice el análisis debemos hacer clic en Run. Para realizar el diseño automático debemos ir al menú Design, marcado con un circulo rojo. Esto desplegará un menú donde debemos seleccionar Steel Frame Design, tal como lo indica la flecha roja. A continuación debemos hacer clic donde dice Start Design, tal como lo indica la flecha roja.

5. Factores de Utilización SAP 2000 El software nos muestra los distintos factores de utilización para cada elemento. Si deseamos conocer el reporte completo de uno de ellos debemos hacer clic con el botón derecho en la zona que está marcada con el circulo rojo. Esto desplegará una pantalla especial donde podemos revisar la información resumida para cada una de las combinaciones de carga. Para obtener un informe detallado debemos hacer clic en la zona marcada por el circulo rojo.

6. RISA 3D RISA 3D En esta unidad analizaremos el software RISA3D Versión 6 de Risa Technologies, más información en www.risatech.com

6. Unidades RISA 3D Para la declaración de unidades debemos hacer clic en la zona que está marcada con el circulo rojo. Esto desplegará una pantalla especial con las unidades que se están usando para cada una de las situaciones relevantes dentro del análisis.

6. Materiales RISA 3D Para la declaración de materiales debemos hacer clic en la zona que está marcada con el circulo rojo. Esto desplegará una pantalla especial con los materiales que se están usando.

6. Secciones RISA 3D Para la declaración de perfiles debemos hacer clic en la zona que está marcada con el circulo rojo. Esto desplegará una pantalla especial con los perfiles que están siendo usados. Si hacemos clic en la zona que está marcada con el circulo rojo, se desplegará una lista de perfiles en donde debemos escoger el que deseamos usar.

6. Geometría RISA 3D Para la declaración de las coordenadas de nodos debemos hacer clic en la zona que está marcada con el circulo rojo. Esto desplegará una pantalla especial con las coordenadas de nodos que debemos ingresar. Para la declaración de las conectividades de las barras debemos hacer clic en la zona que está marcada con el circulo rojo. Esto desplegará una pantalla especial donde nos permitirá elegir el perfil que deseamos usar y asignarlo gráficamente a dos nodos.

6. Condiciones de Borde RISA 3D Para la declaración de las condiciones de borde de los elementos (empotrado, rotulado, etc.) debemos hacer clic en la zona que está marcada con el circulo rojo. Esto desplegará una pantalla especial donde podemos modificar las condiciones de borde de los elementos. Se pueden declarar condiciones distintas en el nodo inicial y en el nodo final (ver círculos rojos).

6. Apoyos RISA 3D Para la declaración de los apoyos (empotrado, rotulado, etc.) debemos hacer clic en la zona que está marcada con el circulo rojo. Esto desplegará una pantalla especial donde podemos modificar las condiciones de apoyo de los nodos.

6. Cargas Unitarias RISA 3D Para la declaración de las cargas debemos hacer clic en la zona que está marcada con el circulo rojo. Esto desplegará una pantalla especial donde podemos ingresar los distintos tipos de cargas, en nuestro caso horizontales y verticales. Para la declaración de las cargas verticales debemos hacer clic en la zona que está marcada con el circulo rojo. Esto desplegará una pantalla especial donde podemos ingresar los valores de las cargas verticales y en que elementos estas están aplicadas. Para la declaración de las cargas horizontales debemos hacer clic en la zona que está marcada con el circulo rojo. Esto desplegará una pantalla especial donde podemos ingresar los valores de las cargas horizontales y en que elementos estas están aplicadas.

6. Combinaciones de Cargas RISA 3D Para la declaración de las combinaciones de cargas debemos hacer clic en la zona que está marcada con el circulo rojo. Esto desplegará una pantalla especial donde podemos ingresar los distintos tipos de combinaciones entre cargas, en nuestro caso horizontales y verticales.

6. Cambios al Diseño RISA 3D A veces debemos ingresar manualmente cambios a los parámetros de diseño usados por el software. Para poder realizar esta modificación debemos hacer clic en la zona que está marcada con el circulo rojo. Esto desplegará una pantalla especial donde podemos modificar largos de pandeo, largos de volcamiento, Cb, Cm y una serie de otros parámetros.

6. Modelo Final RISA 3D Ahora se puede observar en pantalla el modelo final terminado. Para que el software realice el análisis debemos hacer clic en Solve.

6. Factores de Utilización RISA 3D El software nos muestra los distintos factores de utilización para cada elemento, si deseamos conocer el reporte completo de uno de ellos debemos hacer clic en la zona que está marcada con el circulo rojo. Esto desplegará una pantalla especial donde podemos revisar la información completa tanto de los diagramas como del análisis.

7. Staad Pro STAAD PRO En esta unidad analizaremos el software Staad Pro Versión 2003 de Research Engineers International, más información en www.reiworld.com

7. Unidades STAAD PRO Para la declaración de unidades debemos hacer clic en la zona que está marcada con el circulo rojo. Esto desplegará un menú donde debemos seleccionar lo que está indicado con la flecha roja. A continuación se desplegara una pantalla especial con las unidades que se están usando para el análisis.

7. Materiales STAAD PRO Para la declaración de materiales debemos hacer clic en la zona que está marcada con el circulo rojo. Luego hacer clic donde dice materiales. Esto desplegará una pantalla especial con los materiales que se están usando. Para editarlos se debe presionar el botón editar.

7. Secciones STAAD PRO Para la declaración de perfiles debemos hacer clic en la zona que está marcada con el circulo rojo. Luego seleccionar donde dice propiedades. Esto desplegará una pantalla especial con los perfiles que se están siendo usados. Si hacemos clic en la zona que está marcada con el circulo rojo. Se desplegará una lista de perfiles en donde debemos escoger el que deseamos usar.

7. Geometría STAAD PRO Para la declaración de las coordenadas de nodos debemos hacer clic en la zona que está marcada con el circulo rojo. Luego seleccionar donde dice Beams. Esto desplegará una pantalla especial con las coordenadas de nodos que debemos ingresar. Con el mismo procedimiento se desplegará una pantalla especial donde nos permitirá elegir el perfil que deseamos usar y asignarlo gráficamente a dos nodos. Finalmente una vista del modelo.

7. Condiciones de Borde STAAD PRO Para la declaración de las condiciones de borde de los elementos (empotrado, rotulado, etc.) debemos hacer clic en la zona que está marcada con el circulo rojo. Luego donde dice Spec. Esto desplegará una pantalla especial donde podemos modificar las condiciones de borde de los elementos. Se pueden declarar condiciones distintas en el nodo inicial y en el nodo final.

7. Apoyos STAAD PRO Para la declaración de los apoyos (empotrado, rotulado, etc.) debemos hacer clic en la zona que está marcada con el circulo rojo (General, Support). Esto desplegará una pantalla especial donde podemos modificar las condiciones de apoyo de los nodos.

7. Cargas Unitarias STAAD PRO Para la declaración de las cargas debemos hacer clic en la zona que está marcada con el circulo rojo (General, Load). Esto desplegará una pantalla especial donde podemos ingresar los distintos tipos de cargas, en nuestro caso horizontales y verticales. Para la declaración de las cargas verticales debemos hacer clic en la zona que está marcada con el circulo rojo. Esto desplegará una pantalla especial donde podemos ingresar los valores de las cargas verticales y en que elementos estas están aplicadas. Para la declaración de las cargas horizontales debemos hacer clic en la zona que está marcada con el circulo rojo. Esto desplegará una pantalla especial donde podemos ingresar los valores de las cargas horizontales y en que elementos estas están aplicadas.

7. Combinaciones de Cargas STAAD PRO Para la declaración de las combinaciones de cargas debemos hacer clic en la zona que está marcada con el circulo rojo. Esto desplegará un menú donde debemos escoger Loading y posteriormente Load Combination, tal como lo indican las flechas rojas. Se desplegará una pantalla especial donde podemos ingresar los distintos tipos de combinaciones entre cargas, en nuestro caso horizontales y verticales.

7. Cambios al Diseño STAAD PRO A veces debemos ingresar manualmente cambios a los parámetros de diseño usados por el software. Para poder realizar esta modificación debemos hacer clic en la zona que está marcada con el circulo rojo (Design, Define Parameters). Esto desplegará una pantalla especial donde podemos modificar largos de pandeo, largos de volcamiento, Cb, Cm y una serie de otros parámetros.

7. Modelo Final STAAD PRO Ahora se puede observar en pantalla el modelo final terminado. Para que el software realice el análisis debemos hacer clic en Analyze.

7. Factores de Utilización STAAD PRO Para conocer los factores de utilización primeros tenemos que cambiar de modo de visualización, para esto debemos hacer clic en el circulo rojo. Luego seleccionar Post Processing, tal como lo muestra la flecha roja. A continuación debemos seleccionar para que carga se realizará el posproceso, en nuestro caso nos interesa solo la combinación. El software nos muestra los distintos factores de utilización para cada elemento, si deseamos conocer el reporte completo de uno de ellos debemos hacer clic con el botón derecho en el elemento deseado. Esto desplegará una pantalla especial donde podemos revisar la información completa del análisis.