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PROGRAMACIÓN APLICADA A LA INGENIERÍA CIVIL 1

Francisco D’Amico, UNIMET

C a p í t u l o I

VBA y SAP2000 como Herramientas para el Análisis Estructural

Introducción

Hoy en día la Ingeniería Estructural se encuentra respaldada por una amplia variedad de programas para el análisis y diseño de cualquier sistema estructural, permitiendo un avance importante en su comprensión y optimización. Esta tecnología ha hecho posible la automatización de procedimientos de cálculo que hace treinta años demoraban meses, y que hace setenta años no eran ni siquiera realizables en tiempo y costo aceptables para cualquier proyecto de mediana envergadura. Sin embargo la tecnología no ha producido nada nuevo en el estudio de las estructuras, cualquier programa de cálculo estructural no es más que la inclusión de leyes y principios antiguos en modernos algoritmos ejecutables por computadoras personales que continuamente aumentan de capacidad y disminuyen de precio. “The fundamental physical laws that are the basis of the static and dynamic analysis of structures are over 100 years old. Therefore, anyone who believes they have discovered a new fundamental principle of mechanics is a victim of their own ignorance. The static and dynamic analysis of structures has been automated to a large degree due to the existence of inexpensive personal computers. However, the field of structural engineering, in my opinion, will never be automated. The idea that an expert-system computer program, with artificial intelligence, will replace a creative human is an insult to all structural engineers”.1

1 EDWARD L. WILSON: “Three Dimensional Static and Dynamic Analysis of Structures, a physical approach with emphasis on earthquake engineering”. 199 8.



A lo largo del curso de Programación Aplicada a la Ingeniería Civil se utilizarán, en opinión del autor, dos de las mejores herramientas que el desarrollo tecnológico en software de aplicación en la ingeniería estructural ha producido: VBA y SAP2000. Visual Basic for Applications es un lenguaje para la creación de macros dentro de las aplicaciones del paquete Office que ofrece múltiples alternativas y posibilidades para la codificación de algoritmos de cálculo estructural. SAP2000 representa lo más avanzado en programas de análisis estático y dinámico de estructuras por elementos finitos, es el resultado de la evolución de varias versiones anteriores de la serie SAP (Structural Analysis Program) y se caracteriza por su gran capacidad y facilidad de manejo. El objetivo fundamental para el curso de Programación Aplicada a la Ingeniería Civil es el de enseñar el uso adecuado de estas herramientas en favor de una mejor comprensión de los sistemas estructurales.

Aplicación de VBA y Excel en el Análisis Estructural

Visual Basic for Applications (VBA) es una herramienta para el desarrollo de aplicaciones y la creación de macros, con la cual se pueden producir programas para resolver problemas. A diferencia de los programas para juegos o entretenimiento, las aplicaciones se utilizan para realizar una determinada tarea, por ejemplo Excel es una aplicación para el análisis y procesamiento de datos tabulados. VBA es el lenguaje común para el desarrollo de macros incluido en las aplicaciones del paquete Office. Un macro dentro de una aplicación permite, entre otras cosas, manipular, almacenar y obtener datos directamente de las aplicaciones en uso. De lo anterior podemos deducir que si se unen VBA y Excel será posible desarrollar programas que sirvan para procesar datos tabulados con mayores opciones que las disponibles solamente con Excel. Como ya se ha mencionado un macro en VBA debe estar asociado a una aplicación que recibe el nombre de Host Application. En nuestro caso Excel será la aplicación sobre la cual se crearán y ejecutarán los macros, es decir será el host. La escogencia de Excel como aplicación host está dominada por la facilidad con la cual se pueden manejar los cálculos matriciales y las operaciones matemáticas en general dentro de una hoja de trabajo, que son la base del análisis estructural moderno. Principalmente en el análisis estructural los datos tabulados con los que se trabajan son las matrices , que representan sistemas de ecuaciones obtenidos a partir de las expresiones que definen el comportamiento de un determinado sistema estructural conocidas sus condiciones de frontera; entonces un programa de cálculo estructural desarrollado en VBA sobre Excel, permitirá obtener el sistema de ecuaciones que describe a una estructura a partir de sus propiedades geométricas, del material que la compone, de las cargas aplicadas y de las condiciones de frontera como resultado de un proceso de lectura, luego el sistema de ecuaciones podrá ser escrito en forma matricial sobre un hoja de trabajo de Excel y finalmente se obtendrán los resultados aplicando el cálculo matricial, estos resultados también se podrán escribir en la hoja de trabajo para su impresión o uso posterior.



Cada una de las tareas anteriores serán realizadas y controladas por un macro que ampliará y/o adecuará las capacidades del Excel según las necesidades del problema que se desea resolver con la creación del programa. El macro será codificado utilizando VBA. El código de un macro en VBA es almacenado en proyectos, los proyectos contienen módulos que a su vez poseen procedimientos, declaraciones e instrucciones en general. En Excel los proyectos se almacenan en libros (.xls). Si el usuario posee la experiencia y los conocimientos adecuados en programación será capaz de crear programas de cálculo estructural muy sofisticados utilizando VBA y Excel. Sin embargo, existen situaciones en las cuales se debe recurrir a programas comerciales que se han creado para simular casos más difíciles o para manejar un número de variables mucho mayor del que se puede presentar en el común de los casos; estos programas han sido ampliamente calibrados y probados, y seguramente resultarán más eficaces a la hora de estudiar sistemas estructurales más complejos. Adicionalmente a la creación de programas en VBA, este curso enseña el uso del programa SAP2000 como herramienta de cálculo estructural y las posibilidades de combinación con Excel y VBA para aumentar aún más su potencial.

SAP2000

El SAP2000 es un programa para el análisis tridimensional estático y dinámico de estructuras por elementos finitos que representa lo más avanzado en programas de cálculo estructural a nivel mundial. Además de su poder de análisis posee una interfaz gráfica de usuario sumamente amigable, fácil de manejar y se encuentra totalmente integrado con Windows. Este software fue desarrollado por la empresa CSi, Computers and Strucutres, Inc. en Berkeley, California, EEUU. Se presenta en varias versiones que varían en el número de nodos que puede tener el sistema a simular; a lo largo del curso se utilizará la ve rsión educativa de libre distribución restringida a 30 nodos y la versión ilimitada/no lineal registrada a nombre de la Universidad Metropolitana. El propósito fundamental en la enseñanza de este software es el de mostrar las capacidades y limitaciones que se presentan en su uso para simular sistemas estructurales, prestando especial atención en la explicación de las teorías, aproximaciones y procedimientos que el programa sigue para realizar el análisis y diseño de una estructura. Si cada uno de estos puntos no son comprendidos totalmente por el usuario no será posible que utilice el programa con la certeza de que el modelo estructural que ha definido es realmente compatible con el modelo original que desea estudiar. Dadas las características del programa SAP2000 es posible afirmar que no posee un límite práctico, el límite lo impondrá la computadora sobre la cual funcionará el programa. Los resultados que produce deben ser interpretados por el usuario para verificar que se corresponden con las condiciones del modelo estructural simulado, no hay que olvidar que este programa nunca superará al criterio de un ingeniero estructural.



SAP2000 Alcances y Limitaciones

El programa SAP2000 reúne las técnicas más avanzadas para el análisis tridimensional estático y dinámico de estructuras por elementos finitos. Este software se presenta en varias versiones que varían en la capacidad de análisis; en este curso trabajaremos con dos versiones del programa. La versión educativa que se encuentra restringida a estructuras de hasta 30 nodos, posee todas las características de una versión completa y no restringida del programa, incluyendo el análisis pushover, y es de libre distribución para fines académicos únicamente. La versión ilimitada/no lineal no posee límite práctico en su capacidad de análisis, el límite lo impone la computadora sobre la cual se instale. Esta versión se encuentra registrada a nombre de la Universidad Metropolitana y se utilizará únicamente dentro de sus instalaciones, principalmente por medio de la red en los laboratorios de programación. El SAP2000 puede combinarse con otros programas para ampliar su capacidad de trabajo. Puede recibir de Excel las coordenadas de los nodos y barras de un sistema estructural y dibujarlas directamente sobre la pantalla, lo cual facilita la creación del modelo estructural, sobre todo de aquellos con una geometría compleja. También pueden importarse archivos desde AutoCAD o cualquier programa DXF compatible que definan la geometría del modelo estructural. Además se pueden imprimir los resultados del análisis y el diseño, así como otras variables importantes del proyecto en un archivo de texto (.txt) que puede manipularse en Excel o en Word y crear archivos de imagen de video (.avi) con animaciones del modelo estructural. En este curso utilizaremos únicamente las posibilidades de combinación con Excel y con archivos de texto.

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