Control de la Solución para Análisis No Lineal en el Software CSI 

Al aventurarse en el mundo del análisis no lineal en programas como SAP2000, ETABS y CSiBridge, está solicitando al software que resuelva un problema mucho más complejo que un simple análisis lineal. El comportamiento de la estructura cambia a medida que se aplican las cargas. El cuadro de diálogo "Nonlinear Parameters (Solution Control)" es su centro de comando para guiar al software sobre cómo resolver este problema, especialmente cuando el análisis es exigente y tiene dificultades para encontrar una solución (converger). 

Esta guía simplifica estas configuraciones avanzadas para ayudarle a optimizar sus cálculos y alcanzar la convergencia. 

Cómo Acceder al menú Solution Control 

1. Acceda al menú Define y seleccione Load Cases. 
2. Cree un nuevo caso de carga (load case) o modifique uno existente. 
3. En el formulario Load Case Data, defina el Analysis Type como Nonlinear o Nonlinear Staged Construction. Para análisis dinámicos en el dominio del tiempo (time-history), elija Nonlinear como el tipo y Direct Integration o Modal como el subtipo. 
4. Haga clic en el botón Nonlinear Parameters para abrir la configuración de Solution Control. 

El Concepto Central: Solution Scheme 

La elección más crítica que hará es el Solution Scheme. Este determina la estrategia fundamental que utiliza el solver. Las opciones varían ligeramente dependiendo de si está ejecutando un análisis estático o dinámico (time-history). 

• Iterative Only: Este es el enfoque más directo. El solver aplica una porción de la carga y luego itera —repitiendo cálculos— hasta que las fuerzas en la estructura están en equilibrio. Prioriza la precisión, garantizando que el equilibrio se satisface al final de cada paso (step). 

• Iterative Event-to-Event: Este es un enfoque híbrido. Utiliza una subdivisión de Evento a Evento (Event-to-Event) para subdividir los pasos de carga donde la rigidez cambia significativamente, pero también realiza iteraciones al final de cada paso para garantizar que se alcance el equilibrio. Esto proporciona una buena relación entre la velocidad de la subdivisión por eventos y la precisión de la iteración. 

• Event-to-Event Only: Este esquema se centra en la velocidad y en superar las dificultades de convergencia. El solver no itera para verificar el equilibrio. En su lugar, calcula con precisión la carga necesaria para causar el siguiente "evento" (como la plastificación de una rótula o la descarga de un cable) y avanza directamente a ese punto. 

  • Ventaja: Es rápido y a menudo consigue completar un análisis que de otro modo no convergería fácilmente. 

• Atención: Como el equilibrio no se verifica explícitamente en cada paso, debe revisar cuidadosamente los resultados para garantizar que el error de equilibrio sea aceptablemente pequeño.

Parámetros Esenciales para Todos los Análisis No Lineales 

Aunque algunos parámetros son específicos del tipo de análisis, algunos parámetros generales son importantes de comprender. 

• Maximum Total Steps: Este es un control de seguridad que limita el número total de pasos (tanto los guardados como los intermedios) que el análisis ejecutará. Si su análisis se detiene antes de alcanzar la carga final, es probable que haya alcanzado el límite. Solución: Vuelva a ejecutar el análisis con un valor más alto. Comience con un número menor para evaluar el tiempo de análisis. 
• Maximum Null Steps: Los pasos nulos (null steps) son pasos de "progreso cero" que ocurren cuando el solver tiene dificultades, como cuando una rótula descarga o las iteraciones no convergen. Un número excesivo de pasos nulos indica que la solución puede estar bloqueada debido a inestabilidad o sensibilidad numérica. Este parámetro permite terminar anticipadamente un análisis que está fallando, en lugar de dejarlo correr indefinidamente. Para desactivar esta verificación, puede definirlo como igual al Maximum Total Steps. 

Parámetros para Análisis Estático No Lineal y Construcción por Fases (Staged-Construction) 

Además del Solution Scheme, una opción fundamental es: 

• Use Line Search: Cuando se establece en 'Yes' para esquemas iterativos, este algoritmo ayuda a encontrar una mejor solución de forma más eficiente durante las iteraciones. Esta opción escala el incremento de la solución de una manera de prueba y error para reducir el desequilibrio de fuerzas (force unbalance). Esto puede llevar a una mejor convergencia con menos iteraciones en total, aunque cada iteración tarde un poco más. Tenga en cuenta que no se utiliza para esquemas Event-to-Event. 

Parámetros para Análisis Dinámico No Lineal por Integración Directa (Nonlinear Direct-Integration Time-History) 

La precisión de los métodos de integración directa es muy sensible al paso de tiempo (time step) de integración, especialmente para respuestas rígidas (de alta frecuencia). Intente disminuir el tamaño máximo del subpaso (substep) hasta obtener resultados consistentes. Mantenga el paso de tiempo de salida (output time step) fijo para evitar almacenar cantidades excesivas de datos. 

El análisis se detendrá siempre en cada paso de tiempo de salida y en cada paso de tiempo donde una de las funciones de entrada del análisis dinámico (time-history) está definida. Adicionalmente, se puede definir un límite superior para el tamaño de paso (step size) utilizado en la integración. Por ejemplo, suponga que el output time step size era 0,005 y que las funciones de entrada también estaban definidas cada 0,005 segundos. Si el Maximum Substep Size se define como 0,001, el programa realizará internamente cinco subpasos de integración por cada paso de tiempo de salida guardado. El programa puede usar subpasos aún más pequeños, si es necesario, para alcanzar la convergencia durante la iteración. 

Nota: El valor por defecto de cero significa que no hay límite, es decir, utiliza el output time-step size. 

Parámetros para Análisis Dinámico Modal No Lineal (FNA - Fast Nonlinear Analysis) 

El análisis modal es generalmente menos sensible al tamaño del paso (step size) que la integración directa. La principal razón para limitar el tamaño máximo del subpaso es para la comparación con otros análisis que han utilizado tales límites. 

• Static Period: Normalmente, todos los modos se tratan como dinámicos. Opcionalmente, este parámetro puede usarse para especificar que los modos de alta frecuencia (período corto) se traten como estáticos, para que sigan la carga sin ninguna respuesta transitoria. Esto puede ser útil para ciertos análisis cuasi-estáticos. Sin embargo, la iteración es generalmente más estable si se incluyen los efectos dinámicos. 

• Force and Energy Convergence Tolerance: Estos valores definen "cuán cerca es suficientemente cerca" para el solver. La Force Tolerance compara el error de fuerza con las fuerzas totales en la estructura. La Energy Tolerance es una verificación secundaria para limitar la cantidad de no linealidad permitida dentro de un único subpaso. 

• Iteration Limits (Max/Min): Estos controlan el número de iteraciones permitidas para cada subpaso. El programa equilibra automáticamente entre permitir más iteraciones y reducir el tamaño del paso. Los valores por defecto generalmente funcionan bien. 

• Convergence Factor: Se puede utilizar una sub-relajación (under-relaxation) de la iteración de fuerza, definiendo el factor de convergencia a un valor muy inferior a la unidad (ej: 0,1 a 0,01). Valores más pequeños aumentan la estabilidad de la iteración, pero requieren más iteraciones para alcanzar la convergencia. 

Comprender la Iteración de Fuerza Objetivo (Target-Force Iteration) 

La Iteración de Fuerza Objetivo es un proceso especial que equilibra las fuerzas en su modelo antes del inicio del paso de análisis principal. Es más útil cuando una estructura comienza en un estado altamente desequilibrado (unbalanced). 

Cómo Funciona 

Cuando aplica cargas del tipo "target force" en un análisis estático no lineal, el software utiliza un proceso iterativo para alcanzar esos objetivos. 

1. Análisis Inicial: El software aplica cargas de prueba (trial loads) a los elementos a los que ha asignado una target force y ejecuta un análisis no lineal completo (o una única fase del mismo). 
2. Comparar y Calcular el Error: Después del análisis, compara las fuerzas reales en esos elementos con sus target force. Luego, calcula un error promedio. 
3. Repetir: Si el error es mayor que la tolerancia de convergencia que ha definido, el software calcula una nueva carga de prueba y ejecuta el análisis completo de nuevo. 

Este proceso se repite hasta que el error esté dentro de la tolerancia o se alcance el número máximo de iteraciones. 

Parámetros  de Controlo 

Puede controlar este proceso usando las siguientes configuraciones en el Caso de Carga estático no lineal: 

• Relative Convergence Tolerance: Define el nivel de error aceptable para las target force. Como estos son objetivos deseados y no necesarios para el equilibrio, a menudo se recomienda un valor mayor como 0,01 a 0,10. 
• Maximum Number of Iterations: Define un límite para el número de veces que el proceso puede ejecutarse. Es una buena práctica comenzar con un valor moderado, como 5 a 10, y aumentarlo si es necesario. 
• Acceleration Factor: Este factor ajusta la carga para la siguiente iteración. 
  • Use un valor mayor que 1 si la convergencia es lenta (ej: al empujar contra una estructura flexible). 
  • Use un valor menor que 1 si el proceso es inestable y el error está creciendo u oscilando. 
• Continue on Failure: Puede optar por continuar el análisis principal incluso si las target force no se alcanzan perfectamente. Esto es útil porque alcanzar el objetivo exacto puede no ser siempre posible o necesario. 

Consejos y Mejores Prácticas 

• Sea Realista: No puede forzar cargas arbitrarias en una estructura simple y estáticamente determinada (isostática), como una cercha básica. El proceso funciona mejor en estructuras rígidas y complejas (hiperestáticas) con múltiples apoyos. 

• Espere Convergencia Lenta: La convergencia puede ser lenta cuando los elementos están conectados a apoyos muy flexibles o trabajan contra otros elementos con target force. 

• Casos de Carga Separados: Para obtener los mejores resultados, intente aplicar cargas de target force en un Caso de Carga o fase de construcción separados de otros tipos de cargas, siempre que sea.