Análisis estructural de pórticos por el método de elementos finitos apoyado con Python

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Universidad Distrital Francisco José de Caldas

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Resumen

Structural Analysis is a fundamental discipline in civil engineering that allows for the evaluation of structural behavior under various types of loads, support conditions, and materials. Diverse tools and methods are used, such as the Conjugate Beam Method, Double Integration, Castigliano's Theorem, Finite Element Method, among others, to simulate and predict structural performance under different loads or events such as Live Loads, Dead Loads, Wind, Earthquakes, Rain, and others. The results help identifies critical zones, validate designs according to current standard, such as Colombia's NSR-10, and optimize structural properties to ensure safety and efficiency. The analysis includes experimental validation or comparisons with field data, demonstrating the correlation between theoretical models and real behavior. This approach contributes to the design of safer and more sustainable structures, aligned with current engineering challenges. The method used in this work is the Finite Element Method (FEM), as it is the most precise method for performing Structural Analysis today. However, FEM involves matrix operations that require significant time due to the size of stiffness matrices and the procedures involved in such operations. For this reason, modern software analyzes highly complex structures more quickly and efficiently by applying this method. Nevertheless, most of these software tools are so expensive that, in some cases, their licensing exceeds personal budgets, and often, the underlying functionality of these tools is not fully understood. Given the above, this work aims to use Object-Oriented Programming (OOP) to perform structural analysis of two-dimensional tall frames by developing a desktop application using Python, a programming language with syntax that is easier to understand compared to other languages. To achieve this, an initial algorithm had to be implemented to apply the Finite Element Method, specifically the Stiffness Method, through a flowchart detailing the procedure for this type of analysis. This process was then translated into code to be implemented in an interpreter, which will generate the aforementioned application. Once the application has been created, the results obtained will be compared with those generated by one of the most widely used commercial software tools on the market, such as SAP2000. This comparison will verify the application's accuracy and the margin of error relative to these software tools, with the expectation that this error will be as close to zero as possible.

Descripción

El Análisis Estructural es una disciplina fundamental de la ingeniería civil que permite evaluar el comportamiento de estructuras bajo diferentes tipos de cargas, condiciones de apoyo y materiales. Se utilizan diversas herramientas o métodos, tales como: Viga Conjugada, Doble Integración, Teorema de Castigliano, Elementos Finitos, entre otros más, para simular y prever el desempeño estructural frente a diversas cargas o eventos como: Cargas Vivas, Cargas Muertas, Vientos, Sismos, Lluvias, entre otros. Los resultados permiten identificar zonas críticas, validar el diseño según normas vigentes, en el caso colombiano la NSR-10, y optimizar las propiedades estructurales para garantizar seguridad y eficiencia. El análisis incluye una validación experimental o comparativa con datos de campo, mostrando la correlación entre los modelos teóricos y el comportamiento real. Este enfoque contribuye al diseño de estructuras más seguras y sostenibles, alineadas con los desafíos actuales de la ingeniería. El Método de estudio en el presente trabajo es el de Elementos Finitos porque, al día de hoy, es el método más preciso para emplear Análisis Estructurales. Sin embargo, este método contempla operaciones matriciales que requieren muchísimo tiempo dado al tamaño de las matrices de rigidez y los procedimientos que conllevan dichas operaciones. Es por ello que hoy en día existen software que analizan estructuras con alta complejidad de manera más rápida y eficiente aplicando este método, no obstante, la mayoría de estos son tan costosos que, en algunas ocasiones, exceden el presupuesto personal para obtener al menos la licencia de uso y, en muchos casos, tampoco se sabe con exactitud cómo funcionan. De acuerdo a lo expuesto anteriormente, este trabajo pretende emplear la Programación Orientada a Objetos (POO) para realizar el análisis estructural de pórticos de gran altura bidimensionales desarrollando una aplicación de escritorio usando Python, lenguaje de programación que tiene una sintaxis fácil de comprender a comparación de los otros lenguajes. Para lograrlo se tuvo que implementar un algoritmo inicial para aplicar el Método de los Elementos Finitos, del cual se deriva el método de la rigidez, a través de un diagrama de flujo que permita detallar el procedimiento que se debe seguir para realizar dicho análisis y posteriormente toda esta información se traduce en código para que sea implementado en un intérprete, el cual generará la aplicación antes mencionada. Una vez la aplicación haya sido creada se procede a comprobar los resultados obtenidos allí con los resultados generados con uno de los softwares comerciales más conocidos en el mercado como los es SAP2000, de esta manera comprobaremos la precisión de esta aplicación y el margen de error que presenta con respecto a estos softwares, se espera que dicho error sea lo más cercano a cero.

Palabras clave

Análisis estructural, Programación orientada a objetos, Pórticos, Cálculo matricial, Software, Elementos finitos, Python

Materias

Ingeniería Civil -- Tesis y Disertaciones Académicas , Diseño de estructuras , Análisis estructural , Resistencia de materiales , Estructuras de concreto

Citación