¿Por qué necesitamos elementos tipo link en el modelamiento de puentes?

Al trabajar con un modelo de elementos finitos, es posible que nos hayamos enfrentado a desafíos relacionados con los enlaces, o links, de los diferentes tipos de elementos.

Antes de abordar directamente estos enlaces o elementos tipo link, es importante entender el concepto de punto de inserción. En midas Civil, el punto de inserción es el lugar con respecto al cual los elementos se insertan en el modelo de análisis. Por defecto, el punto de inserción de una sección se encuentra en su centroide.

Figura 1 Punto de inserción de elementos en midas Civil 

Los usuarios pueden modificar el punto de inserción durante el modelado. Este punto puede ser el centroide del elemento (center-center), la parte superior derecha (right-top), la parte inferior izquierda (left-bottom), entre otros, como se muestra en la Figura 2. 

Figura 2 Modificación del punto de inserción en midas Civil

Cuando creamos, por ejemplo, una superestructura de un puente de vigas de acero en midas, como se muestra en la Figura 3, utilizamos principalmente elementos tipo beam para las vigas principales y elementos tipo truss para riostras transversales. Estos últimos están conectados directamente en el modelo, pero en realidad, lo que existe es una platina que conecta el alma de la viga con el marco transversal. Sin embargo, el software no es consciente de esta conexión hasta que se le indique explícitamente.   

Figura 3 Ejemplo de puente de vigas de acero y puntos de inserción de elementos

En el modelo de análisis, esos elementos tienen diferentes elevaciones; por lo tanto, cada nodo de los elementos debe estar conectado mediante enlaces para representar adecuadamente las conexiones físicas del puente. Como se muestra en la Figura 4, en la parte superior de la sección transversal, se encuentra el punto de inserción (en verde) para las vigas. 

 Figura 4 Conversión de peso propio a masa

Aunque parezca que los nodos de los arriostramientos transversales (en rojo) están tocando la viga principal, en realidad no están conectados hasta que configuremos el enlace que conecta los nodos de los arriostramientos transversales con los puntos de inserción de la viga. Los enlaces se muestran en amarillo en la imagen de la derecha. 

Otra aplicación bastante común de los elementos tipo link son los apoyos elastoméricos en puentes. Los apoyos elastoméricos son elementos frecuentemente utilizados en todos los apoyos estructurales para soportar superestructuras de hormigón y/o acero y transmitir las cargas a la  subestructura. En el caso de los puentes en los que se modela la superestructura y la subestructura, la inclusión de las propiedades de apoyo genera un efecto de flexibilización, lo que reduce la fuerza sísmica que debe resistir la subestructura. La selección del tipo de elemento para modelar los elastómeros y el cálculo de la rigidez de estos elementos son factores determinantes en el comportamiento de la estructura. 

Figura 5 Definición de links elásticos que simulan los aparatos de apoyo en un puente de vigas

Cuáles son los tipos de enlaces en midas Civil?

Los tipos de enlaces que puedes encontrar en midas Civil se pueden resumir a continuación:

• Enlaces elásticos 

• Enlaces rígidos 

• Enlaces generales 

1. Enlace elástico 

• La rigidez es definida por el usuario para los grados de libertad restringidos 

• Existen diferentes tipos de enlaces elásticos: 

• Elástico - Rígido 

• Elástico - Solo compresión/tensión 

• Elástico - General 

Elástico – Multilineal

Figura 6 Tipos de links elásticos en midas Civil

Los enlaces elásticos se comportan de forma similar a un elemento en el sentido de que tienen una rigidez en los diferentes grados de libertad y solo pueden conectar dos nodos. 

 Figura 7 Grados de libertad de los elementos tipo link 

Cuando se utiliza el tipo de enlace elástico-rígido, midas Civil asignará una rigidez infinita a los seis grados de libertad. La rigidez es relativamente mayor que la de los elementos circundantes. Este tipo se puede utilizar para soportes y diafragmas. 

Por otro lado, link elástico de solo compresión/tensión tiene solo rigidez axial. Se utiliza para configuraciones especiales e interfaces de estructura de suelo, como un estribo integral. En especial, debe saberse que este es un tipo de enlace no lineal, por lo tanto, se requieren procedimientos iterativos para resolver este tipo de enlace. Por ejemplo, para una estructura con links de solo compresión, el software considerará todos los links como links activos y encontrará cuáles están en compresión y cuáles están en tensión. Para aquellos que están en tensión, el software los eliminará del modelo y volverá a ejecutar el análisis. Este proceso iterativo continuará hasta que encuentre que todos los links restantes están en compresión. Teniendo eso en mente, y conociendo la naturaleza lineal inherente de las líneas de influencia utilizadas por el análisis de carga móvil, este tipo de enlace no se puede utilizar para el análisis de carga móvil debido a su no linealidad.  

El enlace elástico general es el tipo que le brinda la mayor flexibilidad, ya que puede definir la rigidez en los 6 grados de libertad.  

1. Enlace rígido 

Las características principales de este tipo de enlaces son: 

• Restricción de desplazamiento 

• Se supone que los grados de libertad restringidos son rígidos. 

La definición de enlaces rígidos es en un sentido geométrico. Mantiene la distancia entre los nodos que están restringidos constante a lo largo del análisis y requiere la definición de nodos maestros y esclavos. Cuando el nodo maestro experimenta traslación, los nodos esclavos experimentarán la misma traslación. Cuando los nodos maestros experimentan rotación, los nodos esclavos experimentarán rotación y traslación. Una diferencia principal entre los enlaces rígidos y los enlaces rígidos elásticos es que los enlaces rígidos pueden conectar múltiples nodos esclavos a un nodo maestro, mientras que los enlaces rígidos elásticos sólo pueden conectar dos nodos en total. También es muy importante tener en cuenta que los nodos esclavos van a recoger y priorizar todas las propiedades de los nodos maestros, por lo tanto, las condiciones de soporte de los nodos maestros se van a transferir y sobrescribir las existentes de los nodos esclavos. 

Figura 8 Concepto de nodo maestro y nodo esclavo en midas Civil 

La aplicación más típica de los enlaces rígidos se puede encontrar en los extremos de las vigas para las condiciones de apoyo. La Figura 9 muestra tres configuraciones diferentes de enlaces rígidos. El primer ejemplo es "Nodo de viga como nodo maestro". En este caso, el nodo maestro no tiene una condición de apoyo. Por otro lado, el nodo esclavo tiene una condición de apoyo. La característica del enlace rígido es que los nodos esclavos están restringidos en un nodo maestro. Por lo tanto, la condición de apoyo en el nodo esclavo se ignorará durante el análisis y puede ver el mensaje de advertencia que se muestra en la Figura 9. El segundo caso es similar al primero. Tiene un nodo maestro en la parte inferior. Se asigna una condición de apoyo al nodo maestro. Este caso es un poco complicado para detectar algo incorrecto porque este modelo es estable. En este caso, varios nodos esclavos están conectados a un nodo maestro, por lo tanto, las condiciones de apoyo en el nodo maestro se aplicarán a esos nodos esclavos. Es posible que se produzcan resultados incorrectos. La configuración correcta es entonces la tercera, en donde se tiene un nodo adicional en la parte inferior del nodo de la viga y se agrega un enlace elástico entre los nodos.

Figura 9 Condición típica de aplicación enlaces en midas Civil 

• Se utilizan para modelar dispositivos de amortiguación, aislamiento de base, elementos sólo de compresión o tracción, rótulas plásticas, resortes de suelo, etc.   

• A los elementos General Link se les pueden asignar propiedades lineales y no lineales utilizando las propiedades de los resortes.   

Ejes locales de los elementos tipo link 

Es importante anotar que los elementos tipo link tienen sus propios ejes locales y que estos no necesariamente coinciden con los ejes globales del modelo. Como se ve en la Figura 10 el eje local x del elemento link está orientado en la dirección longitudinal de este elemento particular (es decir en la dirección global X), y los ejes Y y Z son perpendiculares. Este concepto es importante para asignar las rigideces o restringir los grados de libertad adecuados cuando se usan este tipo de elementos. 

Figura 10 Ejes locales del elemento tipo link