Abstract:
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The aim of this project is designing and programming a seismic analysis module in the
CME2.01 application, which is able to calculate frame structures of two or three dimensions.
This application has been developed in Matlab® in order to become a learning tool in
structural analysis for future students of the School of Civil Engineering in Barcelona.
The module, until now, included a sort of modules which enable a user to analyse and solve
frame structures in the static, dynamic, plastic and instability cases. Incorporating this new
module, the whole application will be able to analyse structures submitted to seismic
accelerations from many different sources.
Once the development and programming of the previous modules have been analysed, it
have been taken advantage of all the possible resources that may be shared with the new
module (as loads and data gathering, graphical interface, coordination functions, animated
results…) in order to optimise, as much as possible, the performance of the software.
The module consists on a dynamic environment such as a GUI (Graphical User Interface),
which allows the user, in an interactive way, to design frame structures and its properties,
application of loads and boundary conditions and visualisation of results.
For the process of solving the seismic problem, the modal superposition method has been
chosen, whose deeper explanation will be carried out in the following chapters. As a
summary, this method calculates the natural vibrating modes of the structure and, thanks
to the uncoupling of the partial differential equations of motion, obtains the final solution
as a linear combination of these modes.
Once the solution of the displacements in time has been found, the application shows an
animation of the movement in time of the structure, as well as the possibility of showing
graphically the spatial-temporal evolution of a selected node. It also allows us to use an
optimisation tool which optimises the calculating process for high complexity structures. At
the same time, some interesting results for the user or some results due to the user
interaction will appear in the Command Window2 of the program.
After programming the module, it has been validated through comparison of results among
classical structural cases found in the existent literature. Moreover, an analysis of a real
structure has been carried out in order to proof the utility of the module even in very
complex scenarios.
Finally, in the last part of this work, a set of critical conclusions about the program and its
design have been presented. This conclusions will corroborate the utility of the module as
a learning tool and as a way of developing structural competencies in students. |
Abstract:
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La realización de este trabajo tiene como fin el diseño y programación de un módulo de
cálculo sísmico de estructuras de barras en dos y tres dimensiones incorporado en el
programa CME2.03. Dicho programa ha sido desarrollado en Matlab®, con el objetivo de
servir como herramienta de aprendizaje en las materias de estructuras para futuros
estudiantes de la escuela.
El programa, hasta la fecha, incluía diversos módulos que permitían el análisis y resolución
de estructuras de barras en los casos estáticos, dinámicos, plásticos y de inestabilidad. Con
la incorporación de este nuevo último módulo, el programa será también capaz de analizar
estructuras bajo el efecto de aceleraciones sísmicas de diversa índole.
Una vez estudiada la programación y desarrollo de los módulos anteriores, se han
aprovechado al máximo todos los recursos que puedan ser compartidos con el nuevo
módulo (carga y obtención de datos, interfaz gráfica, funciones de coordinación, muestra
gráfica de resultados, etc.) con el fin de optimizar, en la medida de lo posible, el
funcionamiento del software.
El módulo consiste en un entorno dinámico a modo de IGU (Interfaz gráfica de usuario) que
permite al usuario, de forma interactiva, el diseño de estructuras de barras y sus
propiedades, aplicación de cargas y condiciones de contorno y visualización de resultados.
Para el proceso de resolución del problema sísmico se ha escogido el método de
superposición modal, cuya explicación en detalle se abordará en capítulos posteriores en
este trabajo. De manera sintética, este método calcula los modos de vibración naturales de
la estructura y, desacoplando las ecuaciones diferenciales del movimiento de la estructura,
permite obtener la solución final como una combinación lineal de ellos.
Una vez obtenida la solución en movimientos de la estructura en el tiempo, el programa
ofrece una animación del movimiento temporal de la misma, así como la posibilidad de
representar gráficamente la evolución espacio-temporal de un nodo concreto. También se
permitirá utilizar una herramienta de optimización de cálculo para aquellas estructuras de
mayor complejidad. Simultáneamente, se presentarán en la Command Window4 del
programa algunos resultados de interés para el usuario o fruto de su interacción con el
programa.
Una vez terminada la fase de programación del módulo, la validación del mismo ha sido
llevada a cabo mediante la comparación de los resultados obtenidos para casos clásicos de
estructuras sísmicas que se han encontrado en la literatura existente. Además, se ha
desarrollado un análisis de una estructura real, con el fin de comprobar la utilidad del
módulo incluso en casos complejos.
Finalmente, en la última parte de este trabajo se han expuesto una serie de conclusiones
críticas acerca del programa y su diseño, en las que se corroborará la utilidad del programa
como herramienta docente y de desarrollo de competencias en estructuras. |