Compatibilidad de mallas y simplificaciones al utilizar Edge Constraints en los programas CSI
La introducción de los Edge Constraints en los programas de análisis estructural como SAP2000 revolucionó la compatibilización de mallas no coincidentes. Esta funcionalidad reduce drásticamente el esfuerzo manual de los ingenieros y aporta mayor agilidad a la hora de modelar sistemas complejos. Sin embargo, su uso exige un entendimiento sólido de su comportamiento y sus limitaciones para garantizar resultados de análisis fiables.
Este artículo está dirigido a ingenieros de estructuras y explora los siguientes temas relacionados con los Edge Constraints: concepto, ventajas, simplificaciones posibles y precauciones en el uso dentro del software de CSI, como SAP2000 y ETABS.
¿Qué son los Edge Constraints?
El Edge Constraint es una funcionalidad implementada en el software CSI que permite compatibilizar automáticamente desplazamientos y rotaciones de nudos cuando las mallas no son compatibles. Este mecanismo resulta especialmente útil en situaciones en las que la modelización manual de mallas coincidentes sería inviable o compleja, por ejemplo, en las transiciones entre mallas refinadas y mallas más largas.
Problema inicial: nudos no coincidentes
Cuando se crean dos mallas de elementos finitos sin compatibilización (por ejemplo, una malla refinada en contacto con otra más larga), aparecen discontinuidades que comprometen la coherencia de los resultados. En estas situaciones, se debe asegurar la compatibilización de los desplazamientos y las rotaciones.
Solución automática con Edge Constraints
Los Edge Constraints resuelven automáticamente el problema de nudos incompatibles al vincularlos mediante elementos virtuales que garantizan la compatibilidad de desplazamientos, rotaciones y, en consecuencia, de los esfuerzos.
Estos elementos virtuales se generan a lo largo de los bordes de los elementos finitos en contacto con nudos de otras mallas, simulando la rigidez necesaria sin introducir rigidez adicional en el modelo.
Así, cuando los nudos de una malla no coincidan con los de otra pero estén alineados con los bordes de elementos Shell o sólidos que tengan asignada la propiedad Edge Constraints, se desplazan como si estuviesen conectados a dichos elementos, teniendo en cuenta su rigidez.
Ventajas del uso de Edge Constraints
El uso adecuado de los Edge Constraints en SAP2000 ofrece diversas ventajas, entre ellas:
1. Compatibilidade Automática de Malhas
Gracias a los Edge Constraints, no es necesario rediseñar o compatibilizar manualmente mallas de distintas dimensiones. Esto es especialmente valioso en zonas complejas, como uniones entre forjados y muros o en áreas estructurales con transiciones singulares.
2. Preservación de la rigidez global del modelo
Aunque se introduzcan elementos ficticios para asegurar la compatibilidad, estos se compensan con elementos adicionales que equilibran el sistema. De este modo, la rigidez global del modelo no se ve alterada.
3. Reducción de elementos de menor calidad
Esta funcionalidad evita la necesidad de generar elementos excesivamente alargados o distorsionados para compatibilizar nudos físicamente distantes, lo que mejora tanto la calidad general del modelo como la precisión de los resultados.
4. Simplificación de la modelización
Permite desarrollar modelos complejos con menos subdivisiones o ajustes manuales, reduciendo el tiempo de trabajo sin perder precisión en los análisis.
Cuidados y limitaciones en el uso de Edge Constraints
A pesar de sus ventajas, el uso de los Edge Constraints requiere atención para evitar imprecisiones en los resultados. A continuación, se destacan algunas consideraciones importantes:
1. Impacto del Principio de Saint-Venant
El Principio de Saint-Venant indica que la influencia de esfuerzos/tensiones disminuye significativamente a medida que uno se aleja del punto de aplicación. Sin embargo, en zonas de transición con malla no compatible, el tamaño de los elementos más grandes puede afectar los resultados locales. Se recomienda:
Ubicar las zonas de transición lejos de áreas críticas donde se requiera mayor precisión.
Tener presente que los elementos de mayor tamaño influyen sobre los elementos más pequeños en una distancia proporcional a su orden de magnitud.
2. Precaución con nudos relevantes
Es fundamental alinear la malla en puntos relevantes (contacto entre extremos de elementos estructurales):
En ETABS y SAFE, esta condición prácticamente se garantiza, ya que la malla generada automáticamente para los forjados suele ser compatible con los extremos de los muros y las ubicaciones de los pilares.
En SAP2000, es aconsejable incluir los nudos de los extremos de pilares y muros en la discretización automática o manual de los forjados.
En la figura de abajo podemos ver un ejemplo de un modelo de SAP2000 donde se fuerza la compatibilidad de la malla en los extremos de los muros y se recurre a los Edge Constraints para compatibilizar los nudos internos:
3. Evitar Edge Constraints colineales con elementos de barra (vigas)
Cuando los Edge Constraints coinciden con elementos de viga, pueden producir resultados diferentes a los esperados, especialmente en los diagramas de cortante. En ese caso, parte de la carga puede ser absorbida por los elementos virtuales de los Edge Constraints, dando lugar a diagramas con irregularidades.
Solución:
Si esta situación es inevitable, se recomienda desactivar la deformación por cortante en la formulación del elemento de barra. Sin embargo, esta simplificación debe validarse para confirmar que sea adecuada para el análisis.
Conclusión
El uso de los Edge Constraints proporciona a los ingenieros de estructuras una herramienta poderosa para compatibilizar mallas de diferentes tamaños, facilitando el modelado de estructuras complejas sin comprometer la precisión de los resultados.
Sin embargo, aplicar esta funcionalidad requiere un conocimiento de sus limitaciones y una atención a los detalles que puedan influir en los resultados. Cuando se utiliza con criterio, reduce significativamente el esfuerzo de modelización y aumenta la fiabilidad de los análisis estructurales, especialmente cuando se combina con buenas prácticas de modelado y validación.
Recomendación: Para una explicación práctica y visual de esta herramienta, se sugiere ver el video Watch&Learn: Edge Constraints en SAP2000.