Aplicaciones de XC en el desarrollo de proyectos de I+D en

la construccion.

Luis C. Perez Tato. XC Ingenierıa Estructural

9 de abril de 2013

1. Introduccion

En los parrafos siguientes se analizan breve-mente las posibles aplicaciones de XC1 en eldesarrollo de proyectos de investigacion y desa-rrollo en la industria de la construccion.

Se puede pensar que la las aplicaciones sonlas mismas que tuviera cualquier otro paquetede analisis mediante elementos finitos, sin em-bargo, al tratarse de software de codigo abiertoy estar orientado a la solucion de problemasde ingenierıa estructural ofrece ventajas que noson faciles de obtener por otros medios.

2. Flexibilidad

Durante el desarrollo de un proyecto de inves-tigacion se va adquiriendo paulatinamente unmayor conocimiento sobre el problema objetode esta. En consecuencia, modelos que puedenser aceptables en los inicios del trabajo dejande serlo segun avanza el mismo.

Este hecho puede dar lugar a que se presen-ten dificultades cuando se emplea software pro-pietario que, en el mejor de los casos, podre-mos modificar con ciertas limitaciones. Por elcontrario al emplear herramientas basadas ensoftware libre se tiene un control completo so-bre ellas de modo que podremos adaptarlas anuestras necesidades en cada momento.

1XC es un programa de codigo abierto para el ana-lisis de estructuras mediante elementos finitos.

Figura 1: «Cluster» Arina de la universidad delPaıs Vasco (Espana).

3. Potencia y escalabilidad

Los problemas de estructuras que se presen-tan corrientemente en la oficina tecnica se pue-den resolver satisfactoriamente con un ordena-dor de sobremesa. Sin embargo si se trata, porejemplo, de problemas de analisis dinamico deestructuras complejas con materiales de tipo nolineal sera necesaria una potencia de calculomayor. Las herramientas de calculo que aquıproponemos pueden ejecutarse en un solo orde-nador o en paralelo en varias maquinas median-te el estandar MPI2.

2Message passing interface. Sistema estandar paraescribir programas que se ejecuten en paralelo en variascomputadoras.

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5 REPARACION DE ESTRUCTURAS

Figura 2: Puente de plastico reciclado construi-do por la empresa Vertech en Gales (Reino Uni-do).

4. Nuevos materiales

Cuando el proyecto de investigacion implicael desarrollo o la utilizacion de nuevos mate-riales (morteros o aglomerados reforzados confibras, hormigones expansivos,. . . ) se hace nece-sario modelizar el comportamiento tensodefor-macional del mismo de modo que sea posiblesimular la respuesta de los elementos estruc-turales construidos con dicho material. Comoejemplos de este tipo de problemas podemoscitar:

Dispositivos amortiguadores para vibracio-nes inducidas por el sismo.

Simulacion del comportamiento no linealdel acero inoxidable estructural.

Simulacion del comportamiento de hormi-gones expansivos empleados para refuerzode estructuras.

Simulacion del comportamiento de ma-teriales de uso corriente (hormigon, ace-ros,. . . ) en condiciones extraordinarias(altas temperaturas (incendio), corro-sion,. . . ).

5. Reparacion de estructu-ras

A medida que envejecen las infraestructurasconstruidas en las ultimas decadas aumentan

las necesidades de reparacion y mantenimientode las mismas por lo que en los ultimos anos seestan dedicando bastantes esfuerzos a desarro-llar soluciones que hagan estas actuaciones dereparacion mas sencillas y mas economicas.

Un problema comun a todas las actuacionesde reparacion es la necesidad de conocer el esta-do de la estructura antes de la intervencion pa-ra, despues, simular el efecto que los elementosde reparacion (apeos, refuerzos adheridos,. . . )tienen sobre la misma. La posibilidad de activary desactivar elementos (y de activar y desacti-var fibras de una seccion) y las herramientasde analisis no lineal hacen posible tratar estosproblemas de forma rigurosa. Ejemplos de estaclase de analisis serıan:

Estudios de la capacidad portante de es-tructuras con distintos tipos de dano:

• Armaduras corroıdas.

• Elementos estructurales destruidos.

• Asientos diferenciales.

Simulacion del efecto producido, sobre elconjunto de la estructura, por distintos ele-mentos de refuerzo (activos y pasivos).

• Refuerzos a base de bandas de fibrade carbono adheridas.

• Refuerzos mediante apeos metalicos.

• Refuerzos mediante postesado exte-rior no adherente.

• Refuerzo de pilares mediante hormi-gones expansivos confinados.

Simulacion de la respuesta de la estructurareforzada frente al sismo mediante integra-cion directa de la ecuacion diferencial en eltiempo. Esto permite, por ejemplo, obte-ner la respuesta de la estructura (y de loselementos de refuerzo) frente a un sismo decuyo registro se dispone.

Reparacion de estructuras singulares (ati-rantadas,. . . ).

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8 CASOS DE ESTUDIO POCO HABITUALES

Figura 3: Refuerzo estructural mediantepostesado exterior.

6. Modelizacion de estruc-turas durante un incen-dio

Tradicionalmente, para determinar la segu-ridad de las estructuras frente al incendio, sevienen utilizando metodos semi-empıricos pro-puestos por las normas. Sin embargo, los avan-ces en el conocimiento sobre el comportamientode los materiales frente al incendio, permitenque cada vez sea mas frecuente el analisis dela respuesta de la estructura en cada caso par-ticular. Para poder simular esta respuesta esnecesario que el software de analisis posea lassiguientes capacidades (ver referencia [2]):

Modelizacion de la carga de fuego, de modoque sea posible representar las condicionesde contorno del problema termodinamico.

Analisis de la transferencia de calor a loselementos de la estructura.

Materiales con propiedades dependientesde la temperatura.

Formulacion de los elementos que incorpo-re los efectos termicos.

En el caso de XC estas capacidades se basanen el resultado de los trabajos realizados porel equipo del profesor Usmani en la escuela deingenierıa de Edimburgo ([2]).

7. Evaluacion de la sensibi-lidad de la respuesta

El analisis de la sensibilidad de la respuestaconsiste en obtener como varıa la respuesta alintroducir una variacion en alguno de los pa-rametros de la estructura3 (caracterısticas delmaterial, condiciones de contorno,. . . ). Para re-solver este problema de modo eficiente se em-plea el algoritmo denominado «direct differen-tiation method». Este algoritmo sirve para cal-cular la sensibilidad la respuesta del modelofrente a variaciones en las propiedades los ma-teriales o los valores de las cargas. Este tipo deanalisis puede aplicarse para:

Analisis probabilıstico simplificado4.

Analisis de la fiabilidad de la estructura.

Estudio de la importancia relativa de losdistintos parametros (propiedades del ma-terial, cargas,. . . ).

Optimizacion de estructuras.

8. Casos de estudio pocohabituales

Ultimamente ha crecido el interes por la se-guridad de las estructuras frente a acciones ex-traordinarias como explosiones o colisiones. Lacombinacion de algunas de las tecnicas de anali-sis citadas anteriormente permite abordar la si-mulacion de la respuesta de una estructura fren-te a este tipo de acciones. Tambien podrıamosconsiderar en este apartado los analisis de vul-nerabilidad estructural de una estructura frentea sismos reales.

Tambien se pueden encuadrar en este apar-tado los analisis realizados para el desarrollo denuevos procedimientos constructivos.

3El modo trivial de resolver el problema consistirıaen introducir la modificacion deseada y volver a resolverel problema.

4En lugar del metodo semi-probabilıstico que em-pleamos habitualmente.

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REFERENCIAS

Figura 4: Sensor instalado en el puente «TwinSpan» Nueva Orleans (EEUU).

9. Analisis de los datos dela instrumentacion

Cada vez es mas frecuente dotar a las estruc-turas de sensores de distinto tipo que permi-tan conocer y analizar la evolucion en el tiempode determinados parametros (desplazamientos,tensiones,. . . ). El desarrollo de un modelo ma-tematico de la estructura y de una aplicacionque a partir de los datos recibidos de la ins-trumentacion obtenga los resultados de dichomodelo permitira calibrar el mismo y, poste-riormente, extrapolar los resultados de la ins-trumentacion al conjunto de la estructura conla consiguiente mejora en el conocimiento de sucomportamiento.

10. Desarrollo de nuevosmetodos de analisis

Por ultimo, cuando se trata de evaluar nuevosprocedimientos de analisis (desarrollo de nuevoselementos, nuevos algoritmos de solucion,. . . )las herramientas que forman XC proporcionanun entorno de desarrollo idoneo para este fin.

Referencias

[1] Fabio F. Taucer et al., A fiber beam-columnelement for seismic response analysis of rein-forced conccrete structures. (EERC Universityof California, Berkeley. 1991).

Figura 5: Esquema de una red neuronal multi-capa.

[2] Asif Usmani et al., Using OpenSees for struc-tures in fire. (School of Engineering. The Uni-versity of Edinburgh. United Kingdom. 2010).

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