ponencia conic 2009 darc

5/27/2018 Ponencia Conic 2009 Darc

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EXTENSION PARA EL MODELAMIENTO, ANALISIS Y DISENO AUTOMATIZADO DERESERVORIOS CIRCULARES EN SAP2000

XVII CONGRESO NACIONAL DE INGENIERIA CIVIL - XVII CONIC 2009

Ing. Edmundo Canchari Gutierrez

1. Introduccion

En la actualidad se ha llegado a un nivel en la que es poco probable evitar la convivencia constantecon las aplicaciones en todos los campos de la Ingeniera, esto se debe a las grandes facilidades queofrecen para modelar situaciones reales en muy corto tiempo ademas de estar siempre implementadoscon los metodos numericos de ultima generacion para cada proposito. Sap2000 es un programageneral producido y mantenido por la empresa Computer and Structures incen la que se encuentraun ambiente comodo para la creacion del modelo, analisis y diseno de estructuras; ademas cuentadesde laversion 11.0.0con su Interfaz de Programacion para aplicaciones (Application ProgrammingInterface API), lo que hace posible acceder al programa desde aplicaciones externas con la finalidad

de implementar extensiones dependiendo de las necesidades de cada usuario.

Con fines de la correcta utilizacion de la API y Sap2000 es necesario tener un conocimientosuficiente delMetodo de los Elementos Finitos, distinguir las ventajas e inconvenientes de este metodoaproximado, los argumentos requeridos y la adecuada interpretacion de los resultados; ademases necesario tener una experiencia amplia en cuanto al uso del programa. Es necesario tambiencomprender los fundamentos de programacion orientado a objetos, estando en este nivel es posibleinteractuar con Sap2000 creando aplicaciones externas.

La Interfaz de Programacion para Aplicaciones de Sap2000se puede utilizar desde cualquier len-guaje de programacion que sea capaz de implementar una interfaz, entre estos lenguajes de programa-

cion se tiene: Visual Basic para Aplicaciones (VBA), Visual Basic .net, Visual C++, Visual C#, Java,Intel Visual Fortran v9, etc. En el presente trabajo se programara desde el lenguaje de programacionVisual C#por ser un lenguaje orientado a objetos y estar completamente integrado con la plataforma.NET

2. Resumen

En el presente trabajo se aprovecha la Interfaz de Programacion para Aplicaciones de Sap2000v14.0.0 Trial Editioncreando una extension desde el lenguaje de programacionVisual C#, juntamentecon el entorno de desarrollo integrado Microsoft Visual Studio 2008 Express Editioncon la finalidad

de automatizar los procedimientos en la creacion del modelo, el analisis y diseno de reservorioscirculares de concreto armado.

Para esta estructura tpica el usuario final solamente definira los argumentos generales de laestructura: dimensiones, cargas, calidad del material, propiedades del suelo y las consideraciones paragenerar la funcion de la aceleracion pseudo espectral para tanques ademas de definir la discretizacionpara el analisis mediante el metodo de los elementos finitos; luego, la extension sera el encargadode modelar la estructura: estableciendo los materiales utilizados, los elementos estructurales(lacupula, viga circular si se considera, cilindro, y la base), los tipos de cargas, los tipos de analisis,las combinaciones de cargas y las consideraciones en la masa de la estructura para el analisisdinamico, las condiciones de contorno, asignacion de las cargas, etc. Todo sin intervencion del usuario,

los resultados deben ser consultados en el mismo entorno de Sap2000 que la extension creara yejecutara automaticamente, se considera el efecto hidrodinamico en el reservorio, las recomendacionesdel Reglamento Nacional de Edificaciones [1] y de la American Concrete Institute (A.C.I 350.3-01 y

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A.C.I350.3R-01) [2].

Es necesario para que la extension creada DARC(Extension para la creacion del modelo, Analisisy Diseno Automatizado de Reservorios Circulares en Sap2000) funcione sin inconvenientes debe estarinstalado elNET Framework 3.5en la computadora donde se ejecutara.

3. Objetivos

Crear una extension para Sap2000 con la finalidad de automatizar los procedimientos de lacreacion del modelo, analisis y diseno de reservorios circulares de concreto armado.

Mostrar la utilidad de la Interfaz de Programacion para Aplicaciones (Application ProgrammingInterface A.P.I) de Sap2000creando una aplicacion concreta.

Aprovechar las ventajas de los lenguajes de programacion orientado a objetos en la creacion deaplicaciones para la ingeniera.

4. Metodologa o Desarrollo

Para el desarrollo de la extension se utiliza el editorMicrosoft Visual Studio 2008 Express Edition,con el lenguaje de programacionVisual C#, desde la cual se integra la Interfaz de Programacion paraAplicacionesdeSap2000. Desde este punto, con las ordenes adecuadas, todos los metodos que soportela interfaz del programa Sap2000 estan libres para Visual C#a disposicion para ser utilizados comosi de sus propias ordenes se tratase. La documentacion completa con ejemplos para cada orden seencuentra en su manual SAP2000 API Documentation [3].

4.1. Visual Studio

Lo que Microsoft nos ofrece con Visual Studio 2008 Express Editiones un entorno de desarrollode ultima generacion, conjuntamente con el compilador de uno de los lenguajes de programacion masavanzados que existe en la actualidad,Visual C#. Lasversiones express son de distribucion gratuita.El desarrollo del programa se realiza desde este editor.

4.2. Visual C#

Es un lenguaje moderno, potente, flexible y orientado a objetos. C# combina las mejores ideas delenguajes como C, C++ y Java [4] . EnVisual C# es necesario distinguir los siguientes conceptos.

4.2.1. Clase

Una clase es una coleccion de codigo y de variables, las clases gestionan el estado en forma devariables que contienen, y comportamientos, en forma de los metodos que contienen. Sin embargo unaclase es solo una plantilla desde donde se crean objetos.

4.2.2. Objeto

Visual C#es un lenguaje orientado a objetos, los objetos son instancias de una clase.

4.2.3. Interfaz

Una interfaz de C# es un conjunto de firmas de metodos, propiedades, eventos o indizadoresagrupadas con un nombre comun. Las interfaces funcionan como conjunto de funcionalidades definidas

que pueden implementarse en una clase o estructura de Visual C#.

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Figura 1: Sub menu Agregar Referencia

4.2.4. Espacio de Nombre

Sirven de ayuda para organizar colecciones de clases en agrupaciones l ogicas.

4.3. Sap2000 v14.0.0

Programa general para crear el modelo, el analisis y diseno de estructuras.

4.3.1. Interfaz de Programacion para Aplicaciones de Sap2000

Sap2000utiliza la tecnologaCOM deMicrosoftpara obtener un Software con arquitectura abiertay programable por el ingeniero. Se ha definido lo que es una interfaz en la secci on4.2.3.

4.3.2. Instalacion API Sap2000

La Interfaz de Programacion para Aplicaciones de Sap2000 se instala por defecto con cualquierdistribucion desde su version 11.0.0.

4.3.3. Utilidad para que sirve?

Ahora es posible ampliar las capacidades deSap2000mediante programas creados por sus usuarios,

definiendo estructuras parametrizadas o repetitivas, generando una norma de diseno especfica, etc.Las posibilidades son ilimitadas.

4.4. Programando en Visual C# con API Sap2000

Seguidamente se realiza una descripcion general para integrar la Interfaz de Programacion paraAplicaciones de Sap2000en el entorno de desarrollo integradoMicrosoft Visual Studio, especficamenteprogramando en el lenguaje Visual C#, para lo cual es necesario crear una aplicacion windows.

4.4.1. Integrar API Sap2000 a Visual Studio

Desde la ventana Explorador de Soluciones, haciendoclick derecho sobre el proyecto creado, elegir

del menu emergente Agregar referencia... como muestra la Figura 1. Luego, se muestra la ventanaAgregar referencia, entre las opciones elegir la pestana etiquetadaCOM, entre los muchos componentesexistentes en la lista elija Sap2000como indica la Figura2.

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Figura 2: VentanaAgregar Referencia

Agregando esta referencia, se le indica a Microsoft Visual C#que queremos trabajar con la Inter-faz Sap2000.SapObject, en este punto Microsoft Visual Studio 2008 Express Editionse encargara deintegrar absolutamente todos su contenido de la Interfaz Sap2000.SapObject.

4.4.2. Implementar Interfaz de Sap2000 en un Objeto

Para utilizar las ordenes que contiene la interfazse opta por implementarlo en un objeto desde ellenguaje de programacion Microsoft Visual C#, desde este punto es visible los metodos de la interfaza traves del objeto. El siguiente programa muestra la manera de implementar la interfaz de Sap2000en un objeto de Visual C#.

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/ /I mp le me nt a l a i n t e r f a z d e S ap 20 00 a un o b je t o2 Sap2000 . SapObject SapObjeto ;3 // i n i c i a l i z a e l o bj et o4 S a p Obje t o = new Sap2000 . SapObject () ;

4.4.3. Accediendo al objeto que implementa la interfaz

El objeto que contendra la interfazse debe declarar de modo que sea visible en todo el proyecto,mediante codigo deberemos referirnos a este objeto para todos los propositos. Creado el objeto quecontiene la aplicacion, el siguiente paso es proporcionarle un archivo Sap2000 correspondiente, puedeser inicializando un nuevo archivo o apoderandose de uno existente. Se tratara ambas alternativas.

4.4.4. Inicializando un archivo nuevo

Es posible desde Visual C# inicializar el programa Sap2000, el siguiente programa inicializa unnuevo entorno enSap2000 y dibuja un muro en su espacio modelo, asignando propiedades por defecto.

1 pr i vat e voi d cmdOpenSap2000 Click( object s e n d e r , E v en tA r gs e )2 {3 / / d e c l a r a v a r i a b l e t i p o S ap 20 004 Sap2000 . SapObject SapObjeto ;5 long r e t ;6 // i n i c i a l i z a r l a v a ri a b le d el t i po Sap20007 S a p Obje t o = new Sap2000 . SapObject () ;

8 // i n i c i a l i z a la a p li c ac i o n9 S a p Obje t o . Ap p li c a t io n S t a rt ( S a p2 0 00 . e Un it s . k g f m C , true, Prueba) ;

10 // c r ea e i n i c i a l i z a e l e s p ac i o modelo de s ap 20 0011 re t = S a p Ob je t o . S ap Mo de l . I n it ia l iz e Ne w M o d e l ( S a p2 0 00 . e Un it s . k g f m C ) ;

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12 / / d i b u j a u na muro13 re t = S a p Ob je t o . S ap Mo de l . F i le . NewWall( 3 , 3 , 3 , 3 , true, p r u eb a ) ;14 }

4.4.5. Apoderarse de un Archivo Existente

Otra alternativa muy frecuente es cuando mediante codigo se quiere apoderar de un modeloSap2000 existente y que este en ejecucion, a modo de prueba, el programa culmina mostrando unmensaje del tipo de unidades actual utilizado.

1 pr i vat e voi d c m d Ca p t u re S a p 2 0 0 0 Clic k ( object s e n d e r , E v en t Ar g s e )2 {3 // de be e x i s t i r un a r ch i vo sa p2 00 0 e j ec u ta n d o s e a c t ua l m en t e4 Sap2000 . SapObject SapObjeto ;5 // e s t a a c ci o n s e a po de ra a ut oma ti ca me nt e de un a r c h iv o e x i s t e n t e6 S a p Obje t o = new Sap2000 . SapObject () ;7 / / mu es tr a l a s u ni d ad e s de medi da a c t u a l d e l e s p a c i o m ode lo8 Sap2000 . eUni ts MyUnits;9 MyUnits = SapObjeto . SapModel . GetP res entU nits () ;

10 st r i ng a = La u n id a d d e m ed id a a c t u a l e s : + M yU ni ts . T o S t r i ng ( ) ;11 MessageBox . Show(a , APISap2000 , MessageBoxB uttons .OK) ;12 }

4.4.6. Cerrando la Aplicacion

Otro procedimiento habitual cuando se manipula programas desde aplicaciones externas, es ce-rrar el programa mediante codigo, para el objeto del tipo Sap2000 la forma correcta de terminar laaplicacion es con las ordenes adecuadas como se muestra.

1 pr i vat e voi d c m d C l o s e s a p 2 0 0 0 C l i c k ( object s e n d e r , E v en t Ar g s e )2 {3 // de be e x i s t i r un a r ch i vo sa p2 00 0 en e j ec u c io n4 Sap2000 . SapObject SapObjeto = new Sap2000 . SapObject () ;5 // c i e r r a l a a p l i ca c i o n6 S a p Obje t o . Ap p lic a t i o n E x it (f a l s e) ;7 // d e ja s i n c on te n id o a l e s pa c i o model o8 SapObjet o . SapModel = nul l;9 // d e ja s i n c on te n id o a l o b je t o c re ad o

10 S a p Obje t o = nul l;11 }

4.4.7. La Funcion Magica

Finalmente, el programa debe ser capaz de decidir adecuadamente una u otra alternativa, seg unsea el caso, el programa siguiente cumple esta funcion.

1 pr i vat e voi d c m d Ev a lu a rS a p 2 0 0 0 Clic k ( object s e n d e r , E v en t Ar g s e )2 {3 Sap2000 . SapObject SapObjeto = new Sap2000 . SapObject () ;4 bool D i a n o s t i c o ;5 st r i ng mensaje ;6 D i a n o s t i c o = S ap Ob je to . v i s i b l e ( ) ;7 i f ( D i a n o s t i c o )8 m e n sa j e = No s e e j e c u t a Sa p2 0 00 ;9 e l s e

10 m e n sa j e = S e e j e c u t a S ap 20 00 ;11 MessageBox . Show( mensaje , API Sap2000 , MessageBoxBut tons .OK) ;12 }

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4.5. Descripcion del Programa DARC

DARC(Extension para la creacion del Modelo, Analisis y Diseno Automatizado de ReservoriosCirculares en Sap2000) es una extension paraSap2000 v14.0.0, escrito en el lenguaje de programacionVisual C# integrado con laAPI Sap2000desde el Microsoft Visual Estudio. Realizar una descripcioncompleta de la programacion y el codigo fuente de la aplicacion no esta al alcance del presente docu-mento, la utilidad de la extension se explicara con un ejemplo de aplicacion. la seccion transversal y

dimensiones generales de un reservorio circular tpico muestra la Figura3.

VOLADO

CUPULA

BASE

CILINDRO

VIGA CIRCULAR

16.5

8.51

0.5

6.2

1.5

Figura 3: Seccion transversal reservorio circular

Cuando se iniciaDARCmuestra la ventana principal de la Figura4, dispone de una interface parael usuario amigable e intuitiva, conteniendo campos suficientes para la recepcion de los argumentosgenerales de la estructura que estan debidamente ordenados en 03 pestanas.

Figura 4: Ventana principal de la extension

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4.5.1. Geometra del Reservorio

En la ventana principal, la pestana etiquetada con General es para especificar las dimensionesgenerales del reservorio, donde:

Se debe especificar la flecha y espesor de la cupula. para la estructura mostrada en la Figura 3la flecha es 1.5m y el espesor 0.1m

Las consideraciones de la viga circular en la estructura es opcional, se debe especificar la base yla altura de la viga circular. Para la estructura mostrada la base es 0 .30m y altura 0.6m

La altura y el espesor del cilindro, indicar de igual manera el borde libre considerado en elcilindro. En la estructura actual el espesor es 0.15m, altura total considerando la altura de laviga circular es 6.20m y el borde libre 1.0m

Las dimensiones de la base como se indica en la Figura3. Diametro interior 8.5mcon un espesorde 0.25m, el diametro total exterior 16.5mcon un espesor de 0.5my la longitud del volado 0.5m

4.5.2. Division de los Elementos Estructurales

La pestana etiquetada con Division(FEM) de la ventana principal mostrada en la Figura 3 espara establecer la discretizacion de la estructura para su posterior analisis mediante el Metodo de losElementos Finitos, se debe especificar:

1. Direccion angular(general): donde se debe especificar el numero de divisiones en la direccionangular para toda la estructura, por defecto esta establecido en 36 divisiones, en este caso serealiza una division cada 10o sexagesimales.

2. Direccion radial(cupula): para establecer el numero de divisiones en la direccion radial, del radiode la cupula. por defecto considera 12 divisiones.

3. Direccion axial(cilindro): establece el numero de divisiones en la direccion axial del cilindro. Por

defecto esta considerado 8 divisiones.

4. Direccion radial(base): establece el numero de divisiones en la direccion radial del radio de labase, que coincide con el radio del cilindro. Por defecto esta considerado 12 divisiones.

5. Direccion radial(volado): para especificar el numero de divisiones en la direccion radial del volado.Por defecto esta considerado 2 divisiones.

Es necesario que el numero de divisiones establecidos en cualquier direccion debe ser como mnimoigual a dos.

4.5.3. Propiedades y Cargas

La pestana etiquetada con Propiedades y cargasde la ventana principal mostrada en la Figura 3es para establecer:

Sobrecarga en la cupula.

Altura enterrada del reservorio, esta caracterstica es opcional pudiendo activarse o desactivardesde el menu Herramientas, por defecto se considera un altura enterrada de 5.0m y el pesoespecfico del suelo 1800 kgf

m3

El modulo de balastro del suelo, que se asigna a los elementos estructurales que forman la base,por defecto es 2030.25 kgf

cm3

la resistencia a la compresion del concreto.

Finalmente, los parametros para generar la funcion de la aceleracion pseudo espectral paratanques.

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4.5.4. Ejecucion de la Extension

El programa verifica en lo posible los argumentos establecidos por el usuario, mostrando infor-macion necesaria convenientemente, aun as, los datos generales deben ser coherentes con los de unaestructura real. Luego de establecer los argumentos generales, desde el menu Herramientas elegir elsub menuAnalizar en Sap2000como muestra la Figura5.

Figura 5: Ventana principal, menu herramientas

La extension por defecto inicializa un reservorio apoyado y sin considerar la viga circular en launion de la cupula y el cilindro, si se desea considerar la viga circular en la estructura y/o considerarcomo un reservorio enterrado se deben activar las opciones desde el menu Herramientas como semuestra en la Figura5.Para cerrarSap2000elegir desde el menu Herramientasel sub menu CerrarSap2000y para abandonar el programa elegir el sub menuSalir. Si todos los argumentos establecidosson adecuados el DARC inicia con el diseno de la estructura en Sap2000, para este fin realiza lossiguientes procedimientos:

Realiza los calculos necesarios para modelar el efecto hidrodinamico sobre el reservorio.

Inicializa Sap2000 v14.0.0 como un archivo nuevo, estableciendo su espacio modelo como un

archivo en blanco.

Define las propiedades de los materiales utilizados para disenar la estructura: el concreto y elacero de refuerzo.

Define los elementos estructurales; la cupula es considerado como un elemento shell(cascara)en su formulacion como membrana, la viga circular es considerado como un elemento cascaragruesa, igualmente el cilindro del reservorio y las bases y volado que forman la fundacion de laestructura.

Define los enlaces nodales para modelar el efecto de la masa convectiva (efecto hidrodinamico)sobre la estructura.

Define los patrones nodales para generar las cargas por presion del lquido y el empuje lateralocasionado por el suelo.

Genera la funcion de la aceleracion pseudo espectral para tanques [5]. El nombre de la funcioncon que es exportado es ZICS.

Define los casos de carga: la carga por peso propio(CM), sobrecarga (CV), carga por presi on dellquido(CL), carga por presion del empuje lateral del suelo(CE).

Define los casos de analisis: se anade a los ya existentes e analisis modal y analisis por respuestaespectral; todos los analisis se definen en el rango lineal.

. . .

Finalmente, prepara el modelo para el analisis, los grados de libertad y ordena a Sap2000 queinicie con el analisis y diseno de la estructura entera.

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5. Resultados

Todos los resultados (desplazamientos, reacciones en los apoyos, esfuerzos, fuerzas ultimas de di-seno, los refuerzos) seran consultados en el mismo entorno de Sap2000 de manera habitual, dado que elprograma solamente automatiza los procedimientos habituales para crear el modelo, analisis y disenode la estructura tpica. El reservorio circular es analizado completamente en un solo modelo: la cupula,

la viga circular, el cilindro y la base de fundacion. La Figura 6muestra el modelo generado por laextension sin intervencion del usuario y la Figura7 muestra los esfuerzos en el cilindro, la cupula y labase.

Figura 6: Modelo del reservorio generado por DARC

Figura 7: Esfuerzos en el cilindro, cupula y la base

Para obtener los aceros de refuerzo solamente se debe consultar a Sap2000, la extension configuralas opciones de diseno para los elementos estructurales, en la Figura8muestra los refuerzos ocasionados

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por la presion estatica del lquido, refuerzos en la direccion circunferencial y axial(correspondiente ala direccion 1 y 2 de la orientacion local para cada elemento finito que conforma el cilindro y la vigacircular).

Figura 8: Refuerzos en el cilindro y la viga circular

6. Conclusiones

En el presente trabajo se logra crear una extension para Sap2000, que automatiza los procedi-

mientos en la creacion del modelo, analisis y diseno de una estructura tpica.

Gracias a la extension se logra analizar la estructura entera para distintas discretizaciones deldominio completo con facilidad, lo que permite evaluar la convergencia de los resultados.

La Interfaz de Programacion para Aplicaciones de Sap2000 se puede utilizar desde cualquierlenguaje de programacion que sea capaz de implementar una interfaz.

Bibliografa

[1] Institulo de la Construccion y Gerencia. Reglamento nacional de edificaciones. 2006.

[2] American Concrete institute. Seismic desing of liquid containing concrete structures. Reported byACI Comittee 350.

[3] Computers and Inc Structures. Sap2000 API Documentation, 2008.

[4] Jason Beres Pierre Boutquin y Meeta gupta Jeff ferguson, Brian Patterson.La biblia de c#. AnayaMultimedia, 2003.

[5] Ing. Julian Meja Zuniga Mag. Ing. Jose Acero Martnez. Analisis dinamico de reservorios, su-perficiales, circulares y rectangulares. Congreso Nacional de Ingeniera Civil, Libro de Ponencias,Ayacucho 2005.

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