Modelado de Piezas Metálicas con Holguras y Contacto en SAP2000: Enfoque Práctico Usando Elementos Shell
Este artículo presenta la metodología utilizada para modelar piezas metálicas complejas con holguras, contacto y comportamiento no lineal en SAP2000, inspirada en el excelente trabajo desarrollado por el ingeniero Carlos Gustavo Lorente Elvira para la empresa TECOZAM en el proyecto “Sotra Bridge” (Noruega). El objetivo es proporcionar una guía práctica, sencilla y directa, acompañada de imágenes ilustrativas.
1. Introducción
Las piezas metálicas especiales, con chapas soldadas, rigidizadores, zonas de contacto localizadas y holguras reales entre pernos y orificios, requieren técnicas de modelado que van más allá de una simple discretización geométrica con elementos finitos. En este artículo mostramos cómo aprovechar eficazmente los elementos Shell, combinados con links, barras, joint offsets, area springs y constraints, para reproducir el comportamiento estructural con el nivel de rigor necesario.
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2. Joint Offsets: Representación Realista de las Excentricidades
Los Joint Offsets permiten desplazar los nodos de los elementos, simulando espesores, excentricidades y la continuidad correcta de las chapas verticales hasta la cara de las chapas de base y de tope (y no hasta su eje geométrico).
Esto es especialmente útil en chapas soldadas con rigidizadores, garantizando que el modelo refleje la geometría real sin generar discontinuidades innecesarias en la malla de elementos finitos.
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3. Area Springs para Simular el Contacto con el Hormigón
Las Area Springs permiten definir muelles distribuidos que trabajan únicamente a compresión, representando el contacto entre la chapa y el hormigón de apoyo.
- SAP2000 distribuye automáticamente estos muelles entre los nodos de la malla.
- El usuario puede controlar su dirección, rigidez y tipo de comportamiento (compression-only).
Si es necesario considerar fricción chapa–hormigón, también es posible emplear area springs basadas en links con comportamiento tipo Friction Isolator. Para ello recomendamos consultar el Ejercicio 28 del Curso SAP2000 Avanzado
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4. Auto-Mesh y Compatibilidad de Mallas
Para facilitar el modelado y la edición:
- Utilizar pocos objetos de área (cuando posible una única área por chapa).
- Permitir que SAP2000 genere la malla automáticamente (Auto-Mesh).
- Asegurar compatibilidad de malla únicamente en los puntos necesarios.
- Cuando las mallas no coinciden, emplear Edge Constraints para compatibilizar desplazamientos entre paneles.
Artículo recomendado: Edge Constraints en SAP2000
5. Joint Constraints tipo PLATE para los Tornillos de la Chapa Base
Para simular el contacto rígido entre la cabeza del tornillo y la chapa base, se utilizan Plate Constraints, que imponen compatibilidad de desplazamientos y permiten que la chapa gire sobre el perno de manera coherente.
Más información en el apartado 1.2.6 del Curso SAP2000 Avanzado
6. Restricciones Mínimas para la Estabilidad Global del Modelo
Para evitar grados de libertad huérfanos y garantizar la estabilidad en un modelo con contactos y rigideces elevadas:
a) Bloquear la rotación RY en el eje del perno para evitar inestabilidades en los cuatro nodos de contacto:
b) Bloquear lateralmente la chapa base de forma isostática:
- un nodo con UX + UY restringidos
- otro nodo con UY restringido
Es recomendable aplicar estas restricciones fuera de la zona de contacto directo para evitar rigidez artificial.
7. Barra con Rigidez Axial Muy Baja para el Perno
El perno se modela como una barra, asignándole un modificador axial muy bajo (por ejemplo, EA × 1e‑6 mediante Property Modifiers) para eliminar la interacción axial con los orificios. Esto permite simular un deslizamiento perfecto, conservando únicamente los efectos deseados de flexión y corte.
8. Links Gap Radiales (Holgura de 1 mm) para el Contacto Perno–Orificios
- Se emplean 2 Joint Links GAP radiales con una holgura de 1 mm, representando el contacto real entre el perno y el orificio.
- Es necesario asignar una rigidez de cortante muy baja a los muelles ubicados en el nodo j (los que están conectados a la chapa), con el fin de evitar inestabilidades numéricas.
Artículo recomendado: Links – Posición del Muelle de Cortante
9. Modelado de los Pernos de la Chapa Base
Para cada tornillo vertical:
- se utiliza un 1 Joint Link
- con comportamiento Hook en la dirección vertical
- y muelles rígidos en las direcciones horizontales, pero sin estar definidos como “Fixed”, ya que estos nodos se conectarán a Plate Constraints para representar mejor el contacto entre la cabeza del tornillo y la chapa base
Artículo recomendado: Definición correcta de constraints en SAP2000
10. Auto Merge Tolerance: Ajuste Esencial en Modelos Pequeños
Debido al tamaño reducido de los elementos, se define:
- Auto Merge Tolerance = 0.1 mm
El valor por defecto (1 mm) podría provocar la unión no deseada de nodos durante la generación automática de la malla.
11. Consideraciones sobre Plastificación y No Linealidad Geométrica
- En este caso, el cliente únicamente quería verificar que las tensiones en las chapas no superaran la cedencia.
- Si fuera necesario modelar plastificación, SAP2000 permite considerar no linealidad material en elementos Shell, aplicando el criterio de von Mises.
- Las piezas estudiadas no eran esbeltas, por lo que la no linealidad geométrica no se tuvo en cuenta.
- Aun así, cuando sea necesario, resulta sencillo definir imperfecciones geométricas y activar la no linealidad geométrica en los análisis, incluidos los grandes desplazamientos
Para quienes deseen profundizar en este tema, recomendamos el curso: No Linealidad Geométrica
Enunciado de un ejercicio del curso en el que se aplican estos conceptos en un análisis de post‑pandeo del alma de una viga armada de acero:
12. Próximos Artículos
Este artículo formará parte de una serie dedicada a:
- modelado de piezas metálicas complejas
- diferentes enfoques de contacto
- modelado con sólidos 3D
- fenómenos avanzados como múltiples holguras, fricción, plastificación localizada, etc.
Los modelos SAP2000 utilizados estarán disponibles para descarga, incluyendo el modelo presentado en este artículo.
Conclusión
El modelado de piezas metálicas con holguras y contacto en SAP2000, cuando se realiza con rigor, permite reproducir el comportamiento real con un nivel de confianza suficiente sin necesidad de recurrir a modelos de sólidos excesivamente pesados. El uso adecuado de joint offsets, area springs, links, constraints y mallas controladas proporciona un equilibrio óptimo entre realismo y eficiencia computacional.
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