Mejores prácticas para la definición de restricciones en modelos estructurales SAP2000 

Definir correctamente las condiciones de restricción (tanto "constraints" como “restraints", según la terminología de SAP2000) es esencial para garantizar la precisión en el análisis estructural. A continuación se describen los riesgos de asignar múltiples formas de restricción a un mismo nudo, se explica el funcionamiento de los links con grados de libertad “fixed” y se proponen alternativas sólidas para evitar inconsistencias numéricas. 

Evitar mezclar Constraints y Restraints 

Aunque el programa lo permite, no se recomienda imponer restraints y constraints (o incluso múltiples constraints) sobre el mismo grado de libertad. Esta superposición puede ocasionar: 

• Exclusión de componentes de reacción: Cuando un nudo está sometido a un constraint (por ejemplo, un diafragma rígido) y al mismo tiempo a un restraint en el mismo grado de libertad, SAP2000 puede ignorar el aporte de la conexión con constraint en el cálculo de reacciones. 
• Efectos de redundancia: Restringir dos veces un mismo grado de libertad conlleva ecuaciones potencialmente conflictivas en la matriz de rigidez, afectando la estabilidad numérica. 
• Problemas en análisis dinámicos: Los resultados de los modos de vibración pueden verse alterados por las inconsistencias de masa y rigidez derivadas de la duplicación de restricciones. 

Recomendación: Cada grado de libertad debe estar controlado, como máximo, por un solo tipo de restricción (ej: constraint, diafragma rígido, restraint, link “Fixed,” etc.). 

Los links con grados de libertad “Fixed” actúan como Constraints 

Según lo explicado en el artículo Fixed DOF in Links, cualquier link con grados de libertad “fixed” se procesa internamente como un constraint. Por consiguiente, conectar estos links a nudos que ya tengan algún tipo de restricción, por ejemplo: 

• Restraints 
• Otros constraints 
• Otros links con DOFs “Fixed”

genera la superposición de ecuaciones de restricciones. Las consecuencias típicas incluyen: 

• Pérdida parcial de fuerzas en la reacción final; 
• No aplicación de los ground displacements (desplazamientos impuestos en los apoyos); 
• Dificultades para determinar los modos de vibración. 
   

Alternativas para sustituir DOFs “Fixed” o Restraints 

Para restringir los grados de libertad sin generar duplicaciones, se pueden usar: 

a) Links rígidos “no Fixed”

• Asignar valores de rigidez muy elevados (p. ej., 1e11 kN/m para traslaciones o 1e11 kN·m/rad para rotaciones), tal como se sugiere en el artículo Rigid behavior y en la Sección 3.3.4 del curso SAP2000 Avançado. 
• Ventajas adicionales: Genera un vínculo que se comporta prácticamente como rígido, pero permite extraer las fuerzas internas. Además, sus propiedades pueden modificarse en análisis de Staged Construction, por ejemplo para simular etapas constructivas o crear sub-modelos. 

  

   

b) Apoyos elásticos (muelles)

• Definir joint springs o 1-joint links con rigideces lo bastante altas para simular apoyos fijos. 
• Aplicación útil: Cuando se desean imponer constraints a nudos que en la práctica están apoyados, modelar el apoyo como un muelle rígido evita la mezcla de constraints y restraints en el mismo grado de libertad. 
   

Caso práctico: Sustitución de un Restraint conectado a un Constraint 

Problema: Definir un apoyo puntual para un núcleo de hormigón armado (modelado con elementos shell) con el fin de simular la rigidez a la rotación de la cimentación, sin redundancias de restricciones.

Solución: 

1. Ubicar un nudo en el centro de gravedad de la cimentación (que podría coincidir con el centroide del núcleo, si está centrado). 
2. Asignar un constraint BODY a todos los nudos de la base del núcleo y al nuevo nudo creado, garantizando la transferencia de cargas sin deformaciones locales. 
3. En ese nuevo nudo, definir un Joint Spring con rigidez muy elevada en traslación (por ejemplo, 1e11 kN/m) y la rigidez de rotación que se requiera para simular la deformabilidad del terreno. 

   

    

Así se mantiene la simplicidad del modelo al despreciar los asientos diferenciales: 
• Todas las traslaciones verticales del núcleo se fijan eficazmente (a través de la gran rigidez), 
• Se incorpora la rotación en la cimentación según la rigidez definida. 

Sustituyendo un potencial restraint de traslaciones por un único Joint Spring (que incluye traslaciones y rotaciones), se evita duplicar restricciones en el nudo de apoyo, que ya está condicionado por el constraint BODY. 

Si se utilizara un restraint para fijar las traslaciones, se correría el riesgo de perder reacciones en el núcleo, como se describió en las secciones 1 y 2. 

Conclusión  

Asignar múltiples constraints o restraints a un mismo nudo suele generar conflictos en el análisis, ya que ningún grado de libertad debe estar doblemente controlado. Un link con DOFs “Fixed” funciona, de hecho, como un constraint y, por ello, es vital garantizar que no se conecte a nudos restringidos por otro medio. 

La práctica de usar rigideces elevadas en lugar de “fijar” por completo los DOFs de los links, o de emplear muelles rígidos en vez de Restraints, suele ser la manera más segura de evitar estas inconsistencias. 

Incluso casos aparentemente sencillos pueden originar resultados imprevistos si se asignan más de una restricción por nudo, por ejemplo: 

• Un nudo de piso con constraint de diafragma rígido que además se conecta a un link con DOFs “Fixed,” lo cual complica la obtención de los modos de vibración. 
• Nudos dotados simultáneamente de restraints y constraints, lo que puede provocar pérdida de reacciones reportadas (ya sea locales o en “Base Reactions”). 

Evitar dichas superposiciones asegura coherencia en los resultados, permite interpretar adecuadamente las fuerzas en la estructura y preserva la robustez numérica durante todas las etapas de análisis.