APLICACIÓN MODES Manual de usuario Desarrollado por Ingeniero Julio Cesar Tocoche Pardo Grupo de Investigación en Ingeniería Sísmica, Eólica, Geotécnica y

Estructura (G7)

Universidad del Valle

Santiago de Cali

Junio de 2014

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TABLA DE CONTENIDO

1. DESCRIPCIÓN DE LA APLICACIÓN .......................................................................... 4

2. PASOS PARA LA INSTALACIÓN DE LA APLICACIÓN ............................................ 4

3. PROCESO BÁSICO ...................................................................................................... 4

4. VENTANA INICIAL ........................................................................................................ 5

5. BARRA DE MENUS ...................................................................................................... 6

5.1. Menú Archivo ................................................................................................ 6

5.2. Menú Asignar ................................................................................................ 6

5.3. Menú Resultados .......................................................................................... 6

5.4. Menú Ayuda ................................................................................................... 6

6. PANEL DE UNIDADES ................................................................................................. 7

7. PANELES DE HERRAMIENTAS .................................................................................. 7

8. PANEL DE VISUALIZACIÓN DE MODELOS .............................................................. 8

9. PANEL DE COORDENADAS ....................................................................................... 9

10. PANEL DE PROPIEDADES DE LOS ELEMENTOS ................................................. 11

11. DIBUJAR ELEMENTOS .............................................................................................. 12

12. PANELES DE RESTRICCIONES EN LOS NODOS .................................................. 13

13. PANELES DE CARGAS EN LOS ELEMENTOS Y EN LOS NODOS ...................... 16

13.1. Colocar una carga puntual o momento puntual en un elemento ......... 17

13.2. Colocar una carga distribuida o trapezoidal en un elemento ............... 19

13.3. Colocar una carga puntual o momento puntual en un nodo................. 21

13.4. Borrar un carga ........................................................................................... 23

14. PANEL DE ANÁLISIS Y RESULTADOS ................................................................... 24

14.1. Analizar la estructura ................................................................................. 25

14.2. Reacciones .................................................................................................. 26

14.3. Estructura deformada ................................................................................ 28

14.4. Diagramas de fuerza ................................................................................... 28

15. TABLAS DE RESULTADOS....................................................................................... 30

16. PANEL DE CONVENCIONES .................................................................................... 31

17. REPORTES .................................................................................................................. 32

17.1. Reporte HTML.............................................................................................. 32

17.2. Reporte Excel .............................................................................................. 33

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TABLA DE FIGURAS

Figura 1. Ventana inicial MODES .......................................................................................... 5

Figura 2. Barra de menús ....................................................................................................... 6

Figura 3. Panel de unidades .................................................................................................. 7

Figura 4. Primer subgrupo de paneles de herramientas ....................................................... 7

Figura 5. Panel de visualización de modelos ........................................................................ 8

Figura 6. Escribir Coordenadas ............................................................................................. 9

Figura 7. Archivo .txt de Coordenadas ................................................................................ 10

Figura 8. Cargar coordenadas ............................................................................................. 10

Figura 9. Panel de propiedades de los elementos .............................................................. 11

Figura 10. Aplicación para configurar secciones ................................................................. 12

Figura 11. Botón Dibujar ...................................................................................................... 12

Figura 12. Dibujar Elementos ............................................................................................... 12

Figura 13. Estructura completa dibujada ............................................................................. 13

Figura 14. Paneles de restricciones en los nodos ............................................................... 13

Figura 15. Paso 1 – Seleccionar nodo ................................................................................. 14

Figura 16. Paso 2 – Escoger la restricción .......................................................................... 14

Figura 17. Paso 3 – Restringir nodo .................................................................................... 15

Figura 18. Seleccionar restricción convencional ................................................................. 15

Figura 19. Estructura totalmente restringida ........................................................................ 16

Figura 20. Panel de cargas en los elementos ..................................................................... 16

Figura 21. Cargas en los nodos ........................................................................................... 17

Figura 22. Panel de información de cargas asignadas ....................................................... 17

Figura 23. Seleccionar un elemento .................................................................................... 17

Figura 24. Seleccionar la carga ........................................................................................... 18

Figura 25. Dar el valor y la distancia .................................................................................... 18

Figura 26. Carga puntual aplicada en un elemento ............................................................. 19

Figura 27. Seleccionar un elemento .................................................................................... 19

Figura 28. Seleccionar la carga ........................................................................................... 20

Figura 29. Dar el valor y la distancia .................................................................................... 20

Figura 30. Carga distribuida en un elemento ....................................................................... 21

Figura 31. Seleccionar un elemento .................................................................................... 21

Figura 32. Seleccionar la carga ........................................................................................... 22

Figura 33. Dar el valor y la dirección.................................................................................... 23

Figura 34. Carga puntual en un nodo .................................................................................. 23

Figura 35. Borrar carga ........................................................................................................ 23

Figura 36. Tabla actualizada ................................................................................................ 23

Figura 37. Modelo actualizado ............................................................................................. 24

Figura 38. Panel de Análisis y resultados ............................................................................ 24

Figura 39. Visualización de reacciones ............................................................................... 26

Figura 40. Reacciones en el nodo 1 .................................................................................... 26

Figura 41. Opciones de elementos ...................................................................................... 27

Figura 42. Matriz de rigidez global – Elemento 1 ................................................................ 27

3

Figura 43. Estructura deformada ......................................................................................... 28

Figura 44. Opciones de diagramas de fuerza ...................................................................... 28

Figura 45. Diagramas de Fuerza - Momento 3-3 ................................................................. 29

Figura 46. Diagramas de fuerza local – Elemento 1 ........................................................... 29

Figura 47. Tablas de Resultados ......................................................................................... 30

Figura 48. Matriz de Rigidez Total de la Estructura- Normal .............................................. 30

Figura 49. Matriz de Rigidez Total de la Estructura - Reordenada ..................................... 30

Figura 50. Reacciones de la estructura ............................................................................... 31

Figura 51. Desplazamientos de la estructura ...................................................................... 31

Figura 52. Panel del convenciones ...................................................................................... 31

Figura 53. Guardar Reporte HTML ...................................................................................... 32

Figura 54. Reporte HTML ..................................................................................................... 32

Figura 55. Guardar reporte Excel ......................................................................................... 33

Figura 56. Reporte Excel ...................................................................................................... 33

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1. DESCRIPCIÓN DE LA APLICACIÓN

La aplicación permite crear estructuras en dos y tres dimensiones, en la que se pueden asignar cualquier tipo de restricción a los nodos y aplicar cuatro tipo de cargas a los elementos y dos tipos de cargas a los nodos, además, existe una opción para asignar a estos últimos resortes y desplazamientos.

El análisis se realiza por el método matricial de las rigideces, y para una mejor comprensión de los estudiantes, se divide en pórticos planos, emparrillados y pórticos en el espacio, y si se desea, tiene la opción de considerar energía de deformación por esfuerzo cortante y Efectos P-Delta o de Segundo orden. La aplicación tiene la opción de generar dos reportes: un reporte en formato HTML donde están los datos de entrada, el proceso del método usado, y el paso a paso para llegar a los resultados, y además, un reporte en formato Excel que contiene los datos entrada, los datos usados en el proceso del método mencionado y los resultados.

Los diferentes resultados que permite ver la aplicación son:

Reacciones

Deformaciones

Diagramas de fuerza cortante

Diagramas de Momento flexionante y de torsión

Diagramas Axiales

Estructura deformada.

2. PASOS PARA LA INSTALACIÓN DE LA APLICACIÓN

Descomprima el archivo MODES_v.1.0.zip

Abra el archivo MCRInstaller, para instalar el programa en su computador.

Abra el archivo MODES.exe

Inicie la interacción con la aplicación

3. PROCESO BÁSICO

Los pasos básicos para crear un modelo se presentan a continuación: 1. Definir las unidades.

2. Crear o cargar las coordenadas.

3. Configurar las propiedades de los elementos : Material y sección. 4. Dibujar la estructura. 5. Restingar los nodos que se deseen. 6. Asignar cargas a los elementos y/o a los nodos. 7. Analizar Estructura

Si se desea:

Asignar resortes y/o desplazamientos a los nodos.

Guardar el modelo o estructura creada.

5

Generar reporte en formato HTML

Generar reporte en formato Excel.

4. VENTANA INICIAL

La interfaz gráfica fue diseñada especialmente para que sea intuitiva para el usuario, está conformada principalmente por una barra de menús y un panel de unidades; y por otros paneles que contienen:

1. Herramientas de la aplicación. 2. Información de coordenadas de las estructuras. 3. Propiedades de los elementos. 4. Restricciones en los nodos. 5. Cargas en elementos y en nodos. 6. Análisis y Resultados. 7. Convenciones usadas por la aplicación. 8. Modelo

La ventana principal se puede observar en la Figura 29.

Figura 1. Ventana inicial MODES

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5. BARRA DE MENÚS

La barra de menús la conforman cuatro opciones: Archivo, Asignar, Resultados y Ayuda, los cuales se explican a continuación:

Figura 2. Barra de menús

5.1. Menú Archivo

El menú Archivo se usa para configurar un nuevo modelo, guardar el modelo, reiniciar y cerrar la aplicación.

5.2. Menú Asignar

Este menú permite asignar resortes y desplazamientos a los grados de libertad de un nodo que este previamente seleccionado.

5.3. Menú Resultados

En este menú se pueden ver en forma de tablas, resultados como Reacciones, Desplazamientos y la Matriz de Rigidez Total de la estructura.

5.4. Menú Ayuda

En el menú ayuda se puede encontrar los ejemplos de verificación, el manual de usuario e información general del Software.

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6. PANEL DE UNIDADES

El panel de unidades está ubicado en la parte superior izquierda de la ventana inicial de la aplicación, el cual contiene 16 opciones para seleccionar las unidades con las cuales se quiere trabajar (Figura 3).

Figura 3. Panel de unidades

7. PANELES DE HERRAMIENTAS

En los paneles de herramientas, se observa en la Figura 4 en orden de izquierda a

derecha opciones como:

Crear un nuevo modelo

Dibujar

Borrar elementos

Acercar y alejar la estructura

Girar

Ir hacia abajo en el eje perpendicular al plano en el que se está trabajando

ir hacia arriba en el eje perpendicular al plano en el que se está trabajando

Ver vista en el plano XY

Ver vista en el plano XZ

Ver vista en el plano YZ

Ver vista en 3D

Figura 4. Primer subgrupo de paneles de herramientas

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8. PANEL DE VISUALIZACIÓN DE MODELOS

Hay dos gráficas que permiten ver el modelo ingresado en la aplicación. En la gráfica de

la izquierda del panel visto en la Figura 44, se puede observar la estructura en los planos

X-Y,X-Z y Y-Z, y es donde se dibujan los elementos y se hacen todo tipo de

modificaciones al modelo.

Figura 5. Panel de visualización de modelos

En la gráfica de la derecha de la figura anterior, se visualiza la estructura en 3D, y

funciona como un visor, es decir, en esta grafica no se puede hacer ningún tipo de

modificaciones.

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9. PANEL DE COORDENADAS

Este panel contiene dos opciones:

la primera es escribir directamente las coordenadas X-Y-Z de una estructura en la tabla presentada en la Figura 5 y pulsar el botón guardar, así se dibujan automáticamente los nodos de la estructura en el panel del modelo.

Figura 6. Escribir Coordenadas

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la segunda opción, es pulsar el botón Abrir y cargar un archivo en formato .txt (Figura 6),

que contenga las coordenadas X-Y-Z en 3 columnas. Al cargar el archivo, se dibujan automáticamente los nodos de la estructura en el panel del modelo. NOTA: El archivo .txt debe estar en la carpeta donde está el ejecutador de la aplicación.

Figura 7. Archivo .txt de Coordenadas

Z

Figura 8. Cargar coordenadas

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10. PANEL DE PROPIEDADES DE LOS ELEMENTOS

Este panel de divide en dos: propiedades de los materiales y propiedades de las secciones

(Figura 36).

Figura 9. Panel de propiedades de los elementos

Una opción es escribir directamente en las casillas destinadas para ello, los valores con los cuales se quiere trabajar las propiedades mencionadas. La otra opción es seleccionar de una base de datos un material que ya contiene módulo de elasticidad, Razón de Poisson y Módulo de cortante.

También se puede configurar una sección de ocho (8) ya definidas, pulsando el botón Configurar sección, el cual despliega una ventana en la que escoge el tipo de sección y se

introducen los valores que se quieran (Figura 37). Se debe mencionar que esta aplicación de secciones (Figura 37), la programó el Ingeniero Luis Felipe Guerrero Mosquera de la Universidad del Valle, mencionada en su tesis de pregrado “Desarrollo e Implementación de una Interfaz Gráfica para el programa de Elementos Finitos FEM” del año 2011.

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Figura 10. Aplicación para configurar secciones

11. DIBUJAR ELEMENTOS

Para dibujar los elementos de una estructura se pulsa el botón Dibujar (Figura 10), luego se

va a la gráfica de la izquierda del panel de modelos, se da clic izquierdo sobre un nodo y se

lleva el cursor hasta uno segundo para completar el elemento, por último se da clic derecho

para guardar los elementos dibujados.

Figura 11. Botón Dibujar

Figura 12. Dibujar Elementos

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Figura 13. Estructura completa dibujada

12. PANELES DE RESTRICCIONES EN LOS NODOS

Los nodos de una estructura ya configurada inicialmente, se pueden restringir seleccionando

cualquiera de las seis (6) opciones que se presentan en el panel de la derecha de la Figura, las

cuales son: Traslación en X, Traslación en Y, Traslación en Z, Rotación en X, Rotación en Y,

Rotación en Z.

En el panel de la izquierda que se observa en la Figura, se puede ver si un nodo de una

estructura está restringido o no, y si hay un resorte y/o un desplazamiento aplicado

directamente.

Figura 14. Paneles de restricciones en los nodos

Para restringir un nodo hay dos opciones:

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Opción 1

Seleccionar el nodo

Figura 15. Paso 1 – Seleccionar nodo

Escoger la restricción

Pulsar uno de los botones que aparecen en el panel de Restricciones o seleccionar las

restricciones que se deseen dando clic en una de las (6) pestañas disponibles.

Figura 16. Paso 2 – Escoger la restricción

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Pulsar el botón OK

Dando clic en el botón OK aparece la restricción dibujada en el modelo.

Figura 17. Paso 3 – Restringir nodo

Opción 2

Sin tener seleccionado ningún nodo, pulsar una de las opciones convencionales que aparecen en el panel de Restricciones: Empotrado, Rodillo o Articulado., Automáticamente, el cursor toma la figura de era restricción.

Figura 18. Seleccionar restricción convencional

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Con el paso anterior hecho, dar clic en el nodo que se quiera restringir y pulsar clic derecho para guardar.

Figura 19. Estructura totalmente restringida

13. PANELES DE CARGAS EN LOS ELEMENTOS Y EN LOS NODOS

Hay disponibles cuatro (4) tipo de cargas para asignar a los elementos de una estructura, las

cuales son: carga puntual, momento puntual, carga distribuida y carga trapezoidal. Para cada

una de las cargas mencionadas y hay seis (6) opciones de dirección que son tres (3) en los ejes

globales y tres (3) en los ejes locales (Figura 39).

Figura 20. Panel de cargas en los elementos

En los nodos se pueden asignar cargas puntuales y momentos puntuales, las cuales se pueden

colocar en las tres (3) direcciones de los ejes principales como se observa en la Figura 40.

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Figura 21. Cargas en los nodos

Adicional a los últimos dos paneles mencionados, existe uno adicional donde se puede

observar la información acerca de las cargas asignadas a las estructuras, es decir, el número

de elemento o nodo, el tipo de carga, el valor, la ubicación, la dirección y además, hay una

opción para borrar la carga si se quiere (Figura 22).

Figura 22. Panel de información de cargas asignadas

13.1. Colocar una carga puntual o momento puntual en un elemento

Paso 1 – Seleccionar un elemento

Al dar clic sobre un elemento, éste toma un color verde y se entiende que esta seleccionado.

Figura 23. Seleccionar un elemento

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Paso 1 – Seleccionar la carga

Figura 24. Seleccionar la carga

Paso 3 – Dar el valor, la distancia y la dirección

Figura 25. Dar el valor y la distancia

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Paso 4 – Dar clic en OK

Pulsando el botón OK, la carga queda asignada al elemento.

NOTA: Este procedimiento funciona igual para aplicar un momento puntual a un elemento.

Figura 26. Carga puntual aplicada en un elemento

13.2. Colocar una carga distribuida o trapezoidal en un elemento

Paso 1 – Seleccionar un elemento

Al dar clic sobre un elemento, éste toma un color verde y se entiende que esta seleccionado.

Figura 27. Seleccionar un elemento

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Paso 2 – Seleccionar la carga

Figura 28. Seleccionar la carga

Paso 3 – Dar el valor, la distancia y la dirección

Figura 29. Dar el valor y la distancia

21

Paso 4 – Dar clic en OK

Pulsando el botón OK, la carga queda asignada al elemento.

NOTA: Este procedimiento funciona igual para aplicar una carga trapezoidal.

Figura 30. Carga distribuida en un elemento

13.3. Colocar una carga puntual o momento puntual en un nodo

Paso 1 – Seleccionar un nodo

Figura 31. Seleccionar un elemento

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Paso 2 – Seleccionar la carga

Figura 32. Seleccionar la carga

Paso 3 – Dar el valor y la dirección

23

Figura 33. Dar el valor y la dirección

Paso 4 – Dar clic en OK

Pulsando el botón OK, la carga queda asignada al nodo.

NOTA: Este procedimiento funciona igual para aplicar un momento puntual.

Figura 34. Carga puntual en un nodo

13.4. Borrar una carga

Para borrar una carga se pulsa la quitan (5) casilla y se actualiza automáticamente el modelo,

en este caso se borrará la tercera carga aplicada en el Nodo 3.

Figura 35. Borrar carga

Figura 36. Tabla actualizada

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Figura 37. Modelo actualizado

14. PANEL DE ANÁLSIS Y RESULTADOS

Cuando ya esté establecida la estructura deseada, es decir, estén dibujados todos los

elementos, colocadas las restricciones a los nodos escogidos, asignadas las cargas a los

elementos y/o nodos, y asignados opcionalmente resortes o desplazamientos a los nodos, se

podrá analizar el modelo pulsando el primer botón visto de izquierda a derecha, que se observa

en el panel de la Figura 42.

Figura 38. Panel de Análisis y resultados

A continuación se explica cada uno de los botones restantes del este panel:

Muestra la estructura normal, con los elementos dibujados, restricciones y otras asignaciones.

Cambia las vistas, mostrando las reacciones del modelo.

Permite ver la estructura deformada.

Pulsando este botón, se genera una nueva ventana que permite escoger el diagrama de fuerza que se quiera observar.

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Genera un reporte en formato HTML que permite ver el proceso paso a paso con fundamentos teóricos para llegar a los resultados.

Genera un reporte en formato Excel que contiene todos los datos que intervienen en el proceso para llegar a los resultados.

Bloquea o desbloquea un modelo en el que se esté trabajando, es decir, habilita o deshabilita paneles de asignación.

14.1. Analizar la estructura

Pulsando el botón Analizar, se genera una ventana con tres opciones de análisis:

En el plano XZ

En el plano XY

En el espacio 3D

Para ver las restricciones de la aplicación MODES para realizar cada análisis, se pulsa el botón + y si se

quiere considerar Energía de deformación por esfuerzo cortante, se selecciona la pestaña ubicada en la

parte inferior de la Figura 39. Para terminar dar clic sobre el botón OK.

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14.2. Reacciones

Para ver las reacciones de la estructura pulsa el botón , seleccionando un nodo y dando clic derecho se podrá ver las reacciones y deformaciones de éste (Figura 10).

Figura 39. Visualización de reacciones

Figura 40. Reacciones en el nodo 1

Seleccionando un elemento de la estructura y dando clic derecho sobre éste, se podrá ver:

- Matriz de rigidez local

- Matriz de transformación

- Matriz de rigidez global (Figura 42)

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Figura 41. Opciones de elementos

Figura 42. Matriz de rigidez global – Elemento 1

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14.3. Estructura deformada

Para ver la estructura deformada pulsa el botón , seleccionando un nodo y dando clic

derecho se podrá ver las reacciones y deformaciones de éste (Figura 10).

Figura 43. Estructura deformada

14.4. Diagramas de Fuerza

Para ver las opciones de diagramas de fuerza pulsa el botón , que genera la venta que se muestra en

la Figura 44. Pulsando uno de las opciones mostradas, se puede ver la opción seleccionada en el modelo.

Figura 44. Opciones de diagramas de fuerza

Seleccionando un elemento de la estructura y dando clic derecho sobre éste, se muestra la

opción de ver los Diagramas de Fuerzas Locales (Figura 46):

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Figura 45. Diagramas de Fuerza - Momento 3-3

Figura 46. Diagramas de fuerza local – Elemento 1

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15. TABLAS DE RESULTADOS

Otros resultados que permite visualizar la aplicación se encuentran en el Menú Resultados , las

opciones son:

Matriz de rigidez Total : Normal – Reordenada (Figura 48-49).

Reacciones (Figura 50).

Desplazamientos (Figura 51).

Figura 47. Tablas de Resultados

Figura 48. Matriz de Rigidez Total de la Estructura- Normal

Figura 49. Matriz de Rigidez Total de la Estructura - Reordenada

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Figura 50. Reacciones de la estructura

Figura 51. Desplazamientos de la estructura

16. PANEL DE CONVENCIONES

Para mostrar algunas convenciones particulares que usa el programa, esta el panel de la Figura

43, que indica la foma como se representan los resortes que estan acoplados entre los grados

de libertad en un nodo, los desplazamientos que se aplican directamente en los grados de

libertad y los colores para representar la traccion y la compresión en los diagramas de fuerza.

Figura 52. Panel del convenciones

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17. REPORTES 17.1. Reporte HTML

El reporte en formato HTML se genera pulsando el botón , se puede guardar en la carpeta y con el nombre que se desee (Figura 53).

Figura 53. Guardar Reporte HTML

En el reporte guardado se puede ver el proceso paso a paso con fundamentos teóricos para llegar a los resultados presentados anteriormente.

Figura 54. Reporte HTML

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17.2. Reporte Excel

El reporte en formato Excel se genera pulsando el botón , automáticamente se muestra la Figura 55, se escribe el nombre del archivo y se guarda donde esta se encuentre el ejecutable de la aplicación MODES.

Figura 55. Guardar reporte Excel

En el reporte guardado contiene todos los datos que intervienen en el proceso para llegar a los

resultados presentados anteriormente, y se pueden ver en varias hojas del archivo.

Figura 56. Reporte Excel