MANUAL MÓ DULÓ DE DINAMICA DE ESTRUCTURAS

Desarrollado por:

Alexander Solarte

Daniel Gómez Pizano M.Sc.

Peter Thomson Ph. D.

Santiago de Cali, Agosto de 2013

Tabla de contenido

1. Descripción de la Aplicación ........................................................................ 4

2. Pasos para la instalación de la aplicación ................................................... 4

3. Paso a Paso ................................................................................................ 5

3.1. EXCITACIONES ................................................................................... 5

3.1.1. Sismos: ........................................................................................... 5

3.1.2. Armónica: ....................................................................................... 6

3.1.3. Arbitraria: ........................................................................................ 8

3.1.4. Pulsos ........................................................................................... 10

3.1.5. Vibración Libre .............................................................................. 12

3.2. PROPIEDADES DEL SISTEMA .......................................................... 12

3.2.1. Masa-Resorte-Amortiguador ........................................................ 13

3.2.2. Columna ....................................................................................... 14

3.2.3. Pórtico .......................................................................................... 14

3.3. RESPUESTAS .................................................................................... 15

3.4. ANIMACIÓN ........................................................................................ 16

3.4.1. Reproducir: ................................................................................... 16

3.4.2. Detener: ........................................................................................ 17

3.4.3. Zoom: ........................................................................................... 17

3.4.4. Stop: ............................................................................................. 17

3.5. Respuesta en frecuencia: ................................................................ 18

4. REPORTE ................................................................................................. 19

5. GUARDAR ................................................................................................. 19

6. ARCHIVO .................................................................................................. 21

6.1. Nuevo análisis: .................................................................................... 21

6.2. Idioma: ................................................................................................ 21

6.3. Cerrar: ................................................................................................. 21

7. AYUDA ...................................................................................................... 22

7.1. Créditos: .............................................................................................. 22

7.2. Manual: ............................................................................................... 22

7.3. Reporte teórico: ................................................................................... 22

7.4. Ejemplos: ............................................................................................ 22

1. Descripción de la Aplicación

Permite simular la respuesta dinámica de una estructura modelada como un sistema de un grado de libertad (1GDL), sometida ante diferentes excitaciones. Al mismo tiempo se puede observar la respuesta dinámica al variar los parámetros y el modelo matemático utilizado para desarrollar la simulación. Los tipos de excitación que permite simular son:

Condiciones iniciales diferentes de cero sin fuerzas externas (vibración libre).

Excitación armónica en el suelo y fuerza armónica sobre la estructura. Excitación pulsos (Unitario, Triangular, Cuadrado y Rampa). Excitación arbitraria. Excitación sísmica (Sismo de El Centro, Armenia, Pizarro, México, Páez,

Loma Prieta, o la opción de cargar un sismo por parte del usuario). Los tipos de estructuras modeladas como sistemas de 1GDL en el Modulo de Dinámica son: sistema Masa-Resorte-Amortiguador, Columna y Pórtico. El Modulo de Dinámica Estructural resuelve la ecuación de movimiento de un sistema dinámico de 1GDL para encontrar su respuesta dinámica en desplazamiento, velocidad y aceleración cuando éste es sometido a una fuerza externa sobre la masa efectiva, o sobre el suelo. La solución de la ecuación de movimiento se visualiza mediante una ventana de animación de repuestas, según varios tipos de excitaciones. Se indican los valores de las propiedades físicas de la estructura: masa, rigidez y razón de amortiguamiento. Cada caso de modelación tiene su respectiva ventana de configuración de propiedades donde se ilustran los parámetros que pueden variarse en cualquier instante de tiempo. Mediante una ventana de simulación según el tipo de excitación permite observar de manera gráfica la respuesta total o relativa de Desplazamiento, Velocidad y Aceleración de la estructura.

2. Pasos para la instalación de la aplicación

1. Descomprima el archivo Dinamica1GDL_v.1.0.zip 2. Abra el archivo MCRInstaller, para instalar el programa en su computador. 3. Abra el archivo Dinamica.exe 4. Inicie la interacción con la aplicación

3. Paso a Paso

Para el análisis de estructuras de 1GDL, la interfaz de la aplicación tiene un diseño amigable para una mejor interacción del usuario con ésta, la cual se divide en cuatro paneles: Excitaciones, Propiedades del Sistema, Respuesta y Animación de Respuesta (Modelo 1GDL).

Figura 1. Interfaz gráfica

3.1. EXCITACIONES

En el Panel de Excitaciones, el usuario puede determinar entre cinco casos el tipo de excitación actuante como se muestra a continuación:

3.1.1. Sismos:

Se determina la excitación sísmica actuante, permitiendo elegir entre los sismos predeterminados como El Centro, Armenia, Pizarro, México, Páez, Loma Prieta, o la opción de cargar un sismo por parte del usuario (Fig. 2), cumpliendo unas condiciones determinadas como se observa en la Figura 3. Para cada sismo se Ilustra su Aceleración, Velocidad y Desplazamiento presionando los botones de la parte inferior del panel.

Figura 2. Excitación Sísmica

Figura 3. Cargar sismo predeterminado

3.1.2. Armónica:

En esta sección se escoge entre dos casos de excitaciones:

3.1.2.1. Movimiento del suelo

En este caso se define la amplitud ( ̈ ) [m/ ] y frecuencia de la aceleración del suelo (ω) [rad/seg], según un paso de tiempo de análisis (dt) [seg] (Fig. 4).

Figura 4. Excitación Armónica, caso Movimiento del Suelo

3.1.2.2. Excitación en la Masa

Caso en el cual se determina la amplitud (Po) [N] y frecuencia de la fuerza de excitación (ω) [rad/seg], según un paso de tiempo de análisis (dt) [seg] (Fig. 5).

Figura 5. Excitación Armónica, caso Excitación en la masa

3.1.3. Arbitraria:

En este caso el usuario tiene tres opciones para determinar la excitación actuante.

3.1.3.1. Dibujándola en un área predeterminada, donde se detallan los

límites de amplitud (P) [N] y tiempo de acción de la fuerza (t) [seg], según un paso de tiempo de análisis (dt) [seg] (Fig. 6).

Figura 6. Excitación Arbitraria (Fuerza sin dibujar)

Se presiona el botón dibujar, para determinar cada punto de magnitud y tiempo en que actúa la fuerza, según un paso de tiempo de análisis, finalizado este proceso se presiona “click derecho” para guardar la carga, en caso de cualquier error, el usuario debe presionar el botón “borrar”, para borrar la fuerza determinada (Fig. 7).

Figura 7. Excitación Arbitraria (Fuerza dibujada)

3.1.3.2. Tabulando la fuerza (Fig. 9), se presiona el check “Datos” y

determinando el número de puntos, posteriormente tabulamos el tiempo (t) [seg] y amplitud (P) [N] para cada punto de la excitación y se presiona el botón “Dibujar datos tabla” (Fig. 8) para dibujar la excitación tabulada, en caso de algún error en los datos determinados se presiona el botón “borrar datos tabla” y se realiza el mismo procedimiento.

Figura 8. Excitación Arbitraria (Fuerza sin tabular)

Figura 9. Excitación Arbitraria (Fuerza tabulada)

3.1.3.3. La opción de cargar un registro de excitación por parte del

usuario, cumpliendo unas condiciones determinadas como se observa en la Figura 10.

Figura 10. Cargar excitación predeterminada

3.1.4. Pulsos

En el caso de Excitación Pulsos, el usuario determina el tipo de pulso de excitación entre cuatro casos, donde se determina la amplitud del pulso [N], el tiempo de excitación (td) [seg], el tiempo de simulación [seg] y el paso de tiempo (dt) [seg].

3.1.4.1. Unitario

Figura 11. Excitación pulso Unitario

3.1.4.2. Triangular

Figura 12. Excitación pulso Triangulo

3.1.4.3. Cuadrado

Figura 13. Excitación pulso Cuadrado

3.1.4.4. Rampa

Figura 14. Excitación pulso Rampa

3.1.5. Vibración Libre

Para el caso de Vibración Libre el usuario debe determinar el desplazamiento inicial (Uo) [m] ó la velocidad inicial (Vo) [m/seg] sometidas a la estructura, según un paso de tiempo de análisis (dt) [seg] (Fig. 15).

Figura 15. Vibración Libre P(t)=0.

3.2. PROPIEDADES DEL SISTEMA

Mediante el Panel de Propiedades del Sistema, el cual se divide en un subpanel se determinan los cambios en las propiedades de cada sistema, y otro subpanel en el que se ilustran las propiedades dinámicas para los diferentes modelos ilustrados en el panel Modelo 1GDL:

3.2.1. Masa-Resorte-Amortiguador

Figura 16. Modelo Masa-Resorte-Amortiguador

En éste modelo ilustrado en la Figura 16. El usuario determina sus propiedades, dependiendo de la sección escogida ya que se divide en dos:

3.2.1.1. Tn y zeta: El usuario puede variar directamente los valores de

periodo natural (Tn) [seg], razón de amortiguamiento (ζ) [%] (Fig. 17.)

Figura 17. Propiedades Dinámicas Modelo M-K-C

3.2.1.2. M-K-C: El usuario puede variar la masa (m) [Kg], coeficiente de

amortiguamiento (C) [N-s/m] y rigidez (k) [N/m] (Fig. 18.).

Figura 18. Propiedades Dinámicas Modelo M-K-C

3.2.2. Columna

Figura 19. Modelo Masa-Resorte-Amortiguador

El usuario determina las propiedades del modelo ilustrado en la Figura 19. Al variar directamente los valores de Masa (M) [Kg], altura (h) [m], diámetro de Columna (d) [m], razón de amortiguamiento (ζ) [%] y módulo de elasticidad (E) [MN/m] (Fig. 20.).

Figura 20. Propiedades Dinámicas Modelo Columna

3.2.3. Pórtico

Figura 21. Modelo Masa-Resorte-Amortiguador

El usuario determina las propiedades del modelo ilustrado en la Figura 21. Al variar directamente los valores de Masa (M) [Kg], altura de columnas (H) [m], altura de vigas (hv) [m], ancho de Columnas y Viga (b) [m], Longitud de viga (L) [m], razón de amortiguamiento (ζ) [%] y módulo de elasticidad (E) [MN/m] (Fig. 22).

Figura 22. Propiedades Dinámicas Modelo Pórtico

3.3. RESPUESTAS

El Panel de Respuesta, se divide en tres secciones:

3.3.1. En la sección Tipo de Respuesta el usuario determina si desea simular

la respuesta relativa o total escogiendo los colores para cada tipo de respuesta (Fig. 23).

Figura 23. Subpanel Respuesta (Tipo de respuesta)

El usuario determina la respuesta de simulación entre Desplazamiento, Velocidad y Aceleración (Fig. 24).

Figura 24. Tipo de Respuestas

3.3.2. En la sección condiciones iniciales el usuario puede determinar si las

condiciones iniciales del sistema son diferentes de cero, determinando

el desplazamiento inicial (Uo) [m] y velocidad inicial (Vo) [m/s] aplicados al sistema (Fig. 25).

Figura 25. Subpanel Condiciones iniciales

3.3.3. En la sección Método de integración, se determina el método de

integración de respuesta entre: Newmark (aceleración promedio o lineal), Interpolación de la excitación o diferencia central (Fig. 26).

Figura 26. Subpanel Método de integración

3.4. ANIMACIÓN

3.4.1. Reproducir: En el subpanel de Respuesta se localiza el botón

“Reproducir”, que genera la respuesta elástica del sistema posterior al procedimiento realizado paso a paso determinando el tipo de excitación, propiedades del sistema y respuesta a observar. La forma y ubicación del botón depende si se requiere realizar una simulación inicial (Fig. 27) o si antes ya se ha realizado una (Fig. 28).

Figura 27. Botón “Simular” inicial

Figura 28. Botón “Simular”

3.4.2. Detener: Al presionar el botón “Detener simulación” ubicado en la parte

inferior, se pausa la simulación en curso (Fig. 29) y se habilita el botón “Reproducir simulación” ubicado en el mismo lugar del botón “Detener”, para continuar la simulación.

Figura 29. Respuesta en curso

3.4.3. Zoom: El botón “ZOOM ON”, brinda la opción al usuario de acercar la

respuesta del sistema para realizar un mejor análisis y se finaliza su acercamiento al presionar el botón “ZOOM OFF” (Fig. 30).

Figura 30. Respuesta detenida (Zoom on)

3.4.4. Stop: Para finalizar la simulación en curso se presiona el botón “stop”

(Fig. 30) y a continuación se visualizan los botones de “REPORTE”, “guardar datos en formato .exe” y “guardar datos en formato .txt” ubicados en la parte inferior de la interfaz de la aplicación (Fig. 31).

Figura 31. Botones del usuario

3.4.5. Manejo de resultados: Finalizada la simulación se habilita un botón

que permite al usuario escoger entre las opciones de COMPARAR (realiza una nueva simulación y la compara con la anterior), BORRA (borra la última simulación efectuada) y BORRAR TODO (borra todas las simulaciones efectuadas), como se muestra en la Figura 32.

Figura 32. Botón simulación finalizada

3.5. Respuesta en frecuencia:

Para el tipo de excitación Armónica, se brinda al usuario la opción de realizar un análisis en frecuencia presionando el botón “Respuesta en frecuencia” (Fig. 33) que depende de la relación de frecuencias (β) y razón de amortiguamiento (ζ) determinados en el procedimiento paso a paso:

Figura 33. Botón respuesta en frecuencia

Para el caso de movimiento del Suelo Rd (Fig. 34), Ra (Fig. 35) y transmisibilidad TR (Fig. 36).

Para el caso de Excitación en la Masa Rd (Fig. 34) y Ra (Fig. 35).

Figura 34. Rd vs β

Figura 35. Ra vs β

Figura 36. TR vs β

4. REPORTE

El botón “REPORTE” genera un archivo en el cual se ilustran todas las propiedades determinadas por el usuario en el procedimiento “paso a paso” con las cuales se efectuó la simulación para cada caso de análisis.

5. GUARDAR

Los botones “guardar datos en formato .xls” y “guardar datos en formato .txt” generan dos ventanas donde el usuario determina las variables de interés necesarias en el documento a guardar, como se visualiza en las Figuras 37 y 38.

Figura 37. Ventana guardar datos en .xls

Figura 38. Ventana guardar datos en .txt

6. ARCHIVO

6.1. Nuevo análisis: Presionando el botón “Archivo” ubicado en la parte

superior, y luego al presionar “Nuevo análisis”, se reinicia la aplicación dando la oportunidad de realizar un nuevo análisis de simulaciones dinámicas de una estructura modelada como un sistema de un grado de libertad (1GDL).

6.2. Idioma: Al presionar el botón “Archivo” y luego “idioma”, se brinda la

oportunidad al usuario de escoger el idioma de la aplicación entre español e inglés como se ilustra en Figura 38.

Figura 38. Interfaz gráfica en Ingles

6.3. Cerrar: Presionando este botón se cierra la aplicación.

7. AYUDA

Presionando el botón “Ayuda” ubicado en la parte superior encontraremos cuatro secciones: 7.1. Créditos: Dando clic en éste botón, se abre una ventana donde

aparecen los integrantes y responsables de la construcción de la aplicación (Fig. 39).

Figura 39. Ventana Créditos aplicación

7.2. Manual: Dando clic en éste botón, se abre un archivo donde se visualiza

el manual de uso de la aplicación.

7.3. Reporte teórico: Dando clic en éste botón, se abre un archivo donde se visualiza el fundamento teórico de donde se basó la construcción teórica de la aplicación.

7.4. Ejemplos: Presionando éste botón, se abre una ventana donde

aparecen los ejemplos de verificación teórica de la aplicación (Fig. 40).

Figura 40. Ventana Ejemplos de verificación