Simulación Computacional como Herramienta de apoyo a la Industria Civil

Las estructuras forman parte de nuestra cotidianidad, están presentes en edificaciones habitacionales, centros comerciales, almacenes y una infinidad de soportes y plataformas para equipos industriales. En cada uno de esos casos los ingenieros civiles y estructurales tienen una función muy demarcada al tener que diseñar, calcular y verificar la integridad de dichos sistemas, apegándose a los requerimientos cada vez más exigentes de arquitectos, ingenieros mecánicos y de procesos.

El abordaje de un diseño usualmente inicia con la definición de las condiciones operacionales y de servicio. En este sentido los ingenieros, arquitectos y proyectistas deben plantear modelos (muchas veces simplificados) para estimar configuraciones de trabajo en base a acciones mecánicas simples como fuerzas puntuales y/o distribuidas, presiones o pesos conocidos para el dimensionamiento inicial de una estructura que cumpla a priori con el objeto de la edificación. En estos casos, la simulación computacional es una gran herramienta al permitir modelar de forma virtual estos sistemas incluyendo perfiles estructurales (columnas y vigas), sistemas reforzados como muros, fundaciones, paredes, entre muchos otros. La parametrización de estos elementos permite así realizar análisis de esfuerzos, fuerzas y desplazamientos resultantes de forma rápida y sencilla.

El Ansys Mechanical es una herramienta ideal para estos estudios, tomando como insumo el modelo CAD proveniente del modelador geométrico llamado Ansys Discovery Modeling, permite realizar análisis estructurales de índole lineal, no lineal y dinámicos con alto nivel de detalles:

Ahora bien, ¿Dónde pueden ayudar las soluciones con Ansys Mechanical?

Diseño Estructural y Estabilidad

• Modelos generales con elementos tipo viga (1D, 2D y 3D)
• Cálculos generales de esfuerzos y deformaciones
• Reacciones, momentos y desplazamientos
• Aplicación de cargas estáticas

No Linealidades

• Análisis de conexiones soldadas o apernadas con sólidos o cáscaras (2D y 3D)
• Modelos con grandes desplazamientos
• Materiales elastoplásticos o hiperelásticos
• Modelado de hormigón y suelo
• Contactos avanzados (fricción, desplazamiento y separación)

Dinámica

• Modos de vibración natural
• Estudios sísmicos
• Cargas cíclicas o aleatorias

Fig. 1 - Evaluación de carga lateral sísmica en un reactor de proceso industriales.

Las herramientas de simulación nos permiten diseñar cualquier tipo de nueva estructura para una determinada construcción. Una de las ventajas es que se pueden evaluar geometrías muy complejas y que involucren un gran número de piezas en su ensamblaje, incluyendo materiales de construcción involucrados respondan bajo un comportamiento no lineal (ej. acero, hormigón, madera, vidrio). 

Fig. 2 - Simulación de esfuerzos que muestra la tensión distribuida a lo largo de todos los elementos.

Una de las particularidades de todo diseño es que las normativas de evaluación exigen que se consideren una gran cantidad de escenarios que contemplen la combinatoria de cargas que afectarán las estructuras en análisis. Según la norma, y para el ámbito civil es normal tener que incluir cargas vivas y muertas, componentes direccionales de potenciales sismos, cargas puntuales o distribuidas por vientos, entre muchas otras. Ansys permite parametrizar los escenarios y así evaluarlos de forma automática y simplificada.

Fig. 3 - Ejemplo de condiciones de borde en estructura considerando las combinatorias de los diferentes escenarios de carga propuestos en códigos de diseño.

Desde el punto de vista del post-procesamiento, es muy convencional necesitar resultados particularizados en función del tipo de elementos para resultados globales y localizados. Por ejemplo, esfuerzos de membrana y de flexión en elementos tipo cáscara, o resultados con lecturas directas de cargas axiales a tracción y compresión, y momentos flectores en plano y fuera de plano para elementos tipo viga. En elementos sólidos predomina la lectura de esfuerzos von Misses o esfuerzos principales y cortantes según los esquemas de cálculo. Ansys tiene una biblioteca de resultados predefinidos y de fácil configuración que hace muy sencilla la resolución de problemas ingenieriles cruzando contra criterios de normas especializadas.

Fig. 4 – Resultados particularizados para uno de los escenarios de carga propuestos en el ejemplo anterior.

En muchos casos los análisis lineales convencionales deben profundizar un poco más, considerar efectos de no linealidades geométricas, de materiales y de contacto. Estos tres efectos de forma aislada o combinada pueden ser modelados dentro de Ansys Mechanical. Algunos tipos de no linealidades podrían ser:

No linealidades geométricas

• Grandes desplazamientos
• Grandes deformaciones

No Linealidades de Material 

• Plasticidad
• Creep
• Modelos de Concreto
• Modelos de Suelo y roca

No linealidad de contacto o por “cambios de estatus”

• Análisis de contacto 
• Contactos lineales (Bonded, No Separation)
• Contacto No Lineales (Frictionless, Rough, Frictional)
• Elementos (Birth and Death)

Fig. 5 – Ejemplo de una combinación de no linealidades: plasticidad en el metal y separación de superficies inicialmente en contacto (previo a la aplicación de la carga).

En los cálculos civiles es necesario para algunos casos incluir el comportamiento del suelo bajo la estructura. Determinar el tamaño de las fundaciones, desplazamientos y campos de presión resultantes producto del tipo de suelo es fundamental para diseño de los cimientos de cualquier edificación. Ansys dispone de muchos modelos de suelos que pueden seleccionarse según las necesidades puntuales de análisis:

• Concrete softening: Modelo de microplano adecuado para materiales que consisten en varias composiciones de agregados con diferentes propiedades (ej. hormigón, en el que la roca y la arena están incrustadas en una matriz débil de cemento). 

• Mohr-Coulomb: Modelo de plasticidad basado en la cohesión interna y la fricción entre partículas materiales.

• Jointed Rock: Ampliación del modelo de Mohr-Coulomb que representa planos de debilidad en roca y otros materiales.

• Cam-clay: Modelo de material clásico utilizado para suelos.

• Drucker-Prager Concrete: Una extensión del modelo Drucker-Prager actuales. Representa diferentes fallas por tracción y compresión que son típicas del concreto.

Cuando se trata de un colapso repentino de estructuras, se debe evaluar el comportamiento de pandeo. El análisis de valores propios o pandeo lineal predice la resistencia teórica al pandeo de una estructura elástica lineal ideal. El pandeo posterior no lineal resuelve la respuesta dinámica real de la estructura, en este caso análisis de pandeo no lineal pueden predecir el comportamiento plástico luego que se alcance la carga crítica.

Fig. 6 –Izq. Simulación de análisis de pandeo no lineal en componente esbelto sujeto a compresión. Der. Modelo teórico de comportamiento al pandeo.

Un análisis detallado de una estructura civil siempre debe incluir un análisis dinámico de la edificación. El tiempo, la inercia y posiblemente el amortiguamiento de la estructura juegan un papel importante en este tipo de evaluaciones. Algunos estudios usuales y de interés son:

• Análisis modal: Características de formas y frecuencias de vibración natural.
• Análisis armónico: Efecto de las cargas cíclicas en dominadas por ecuaciones sinusoidales.
• Análisis de respuesta espectral: Efecto de cargas sísmicas o de choque.
• Análisis de vibración aleatoria: Efecto de cargas aleatorias.
• Análisis estructural transitorio: Efecto de las cargas variables en el tiempo.

Fig. 7 –Izq. Ejemplo de análisis modal de una estructura rectangular (Primeros tres modos de vibración y sus correspondientes frecuencias naturales).

En lo referente a aplicaciones específicas es mucho lo que se puede hacer con Ansys para la industria de la ingeniería civil, estudios de grandes estructuras como diques, puentes, viaductos, túneles, edificios, naves industriales, estructuras de soporte para equipos mecánicos y de proceso, aeropuertos, museos, hospitales, etc. No hay límite para ello, esto hace que esta herramienta sea tan versátil y ampliamente solicitada para análisis de estructuras de gran tamaño. Algunos ejemplos:

Fig. 8 – Análisis estructurales en estructuras civiles utilizadas en represas y su interacción con el subsuelo. 

Finalmente, y a modo complementario, es importante hacer notar que la industria civil no solo requiere de análisis estructurales para la verificación de sus modelos. En muchos casos los efectos de fluidos sobre las estructuras definen muchos aspectos relacionados con su configuración y dimensionamiento final. Temas relacionados con cargas de viento, estudios aerodinámicos, efectos del flujo de grandes masas de agua, ventilación y aire acondicionado son de gran relevancia en el cálculo civil. 

En estos casos, estudios de interacción fluido-estructura (FSI) son llevados a cabo para la obtención de patrones de flujo, presiones variables sobre la estructura, campos de temperatura, entre otros de interés:

Fig. 9 – Análisis CFD para determinación de campos de presión por corrientes de viento en edificio de eventos. 

La simulación computacional en la industria civil es ampliamente reconocida por sus aportes a los cálculos complejos que son requeridos en las distintas metodologías de análisis. Sin importar el tipo de infraestructura, los materiales a utilizar, los análisis requeridos o inclusive la incorporación de sistemas de estudios combinados con fluidos, la suite de productos de Ansys tiene capacidades para abordar estos proyectos con gran eficacia y sencillez de implementación.

En el webinar “Simulación computacional aplicada a la Ingeniería Civil” se muestra con mayor profundidad y detalle las diversas técnicas aquí mencionadas, así como también se hace referencia a como las diversas industrias pueden aprovechar estas tecnologías para impulsar sus procesos. 

Para mayor información sobre esta aplicación o productos de simulación computacional ANSYS, visiten: https://www.semco.com.pe/ansys-software-de-simulacion/