Metodo de rigidez directa
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El método de rigidez directa (matricial) es un método numérico para aproximar soluciones a ecuaciones diferenciales parciales complejas usado en análisis de elementos finitos. Asigna una matriz de rigidez a la estructura que relaciona los desplazamientos nodales con las fuerzas externas, permitiendo determinar las fuerzas y desplazamientos desconocidos al resolver esta ecuación matricial. El proceso implica ensamblar esquemáticamente las matrices de rigidez de los elementos y de la estructura
![4. Ensamblar esquemáticamente las matrices de rigidez de los elementos. Esto quiere
decir que no se escriben los términos interiores de la matriz, solo se identifican los
números de las filas y columnas con el número del grado de libertad
correspondiente. Se pierde tiempo al escribir todos estos términos que al final no se
necesitan.
5. Estudiar si algún elemento se debe corregir por articulación en sus extremos. En
elementos tipo cercha solo es ensamblar aquellos grados de libertad de desplazamiento
axial. Tenga en cuenta que elementos que continúan en voladizo no se corrigen por
articulación para darles capacidad de soportar los momentos del nudo. Sí un solo
elemento llega a un nudo articulado, este elemento no se tiene que corregir por extremo
articulado ya que con solo decir que el momento es cero en ese grado de libertad ya
quedaría corregido.
6. Ensamblar esquemáticamente la matriz de rigidez general de la estructura. Igual que
para elementos, no se escriben los términos interiores sino los números de las filas y
columnas con los grados de libertad. Tache aquellas filas y columnas cuyos
movimientos son cero, identifique las filas y columnas de los grados de libertad libres
y de los restringidos, identifique los grados de libertad que son iguales y que se pueden
expresar como una solo incógnita, en resumen, condense la matriz de rigidez, una vez
hecho esto con las filas y columnas esquemáticas, ensamble los términos interiores de
la matriz de rigidez, solo aquellos que quedaron libres.
7. Encuentre, solo en los grados de libertad libres, el vector de fuerzas externas en los
nudos y el vector de fuerzas de empotramiento perfecto. No hay necesidad de hacerlo
para los grados de libertad restringidos o despreciados.
8. Empiece con la solución de la ecuación general
[ 𝐹𝑒𝑥𝑡𝑒𝑟𝑛𝑎𝑠] = [𝐾𝑔𝑟𝑎𝑑𝑜𝑠 𝑙𝑖𝑏𝑟𝑒𝑠] ∗ [∆𝑙𝑖𝑏𝑟𝑒𝑠] + [ 𝐹𝐸𝑃]
9. Analice si desarrollando las ecuaciones por submatrices puede disminuir el orden de la
matriz a invertir, esto se llama condensación estática.
10. Encuentre los desplazamientos de los grados de libertad libres y halle las fuerzas de
extremo de elemento en estos grados de libertad. Las otras fuerzas de extremo se
pueden hallar por estática en el elemento. No se justifica trabajar con toda la matriz
de rigidez del elemento para hallar las otras fuerzas.](https://image.slidesharecdn.com/metododerigidezdirecta-180123160335/85/Metodo-de-rigidez-directa-2-320.jpg)
Metodo de rigidez directa
- 1. MÈTODO DE RIGIDEZ DIRECTA (MATRICIAL) El método de rigidez directa es la implementación más común del método de los elementos finitos ( es un método numérico general para la aproximación de soluciones de ecuaciones diferenciales parciales muy complejas). Las propiedades de rigidez del material son compiladas en una única ecuación matricial que gobierna el comportamiento interno de la estructura idealizada. Los datos que se desconocen de la estructura son las fuerzas y los desplazamientos que pueden ser determinados resolviendo esta ecuación. El método consiste en asignar a la estructura de barras un objeto matemático, llamado matriz de rigidez, que relaciona los desplazamientos de un conjunto de puntos de la estructura, llamados nodos, con las fuerzas exteriores que es necesario aplicar para lograr esos desplazamientos (las componentes de esta matriz son fuerzas generalizadas asociadas a desplazamientos generalizados). La matriz de rigidez relaciona las fuerzas nodales equivalentes y desplazamientos sobre los nodos de la estructura, mediante la siguiente ecuación: Donde: 𝑭𝒊 son las fuerzas nodales equivalentes asociadas a las fuerzas exteriores aplicadas sobre la estructura; 𝑹𝒊 son las reacciones hiperestáticas inicialmente desconocidas sobre la estructura; 𝜹𝒊 los desplazamientos nodales incógnita de la estructura y n el número de grados de libertad de la estructura. Del teorema de Maxwell-Betti se deduce que la matriz de rigidez debe ser simétrica y, por tanto: 𝒌𝒊𝒋 = 𝒌𝒋𝒊 Para resolver ejercicios manualmente por el método matricial de rigidez se sugiere seguir la siguiente metodología que ayudará a simplificar los cálculos. 1. Numere todos los grados de libertad de la estructura, tanto libres como restringidos. No tiene que llevar un orden específico, después al montar la matriz de rigidez general ordenamos los grados de libertad de tal manera que queden de primero los libres. 2. Elimine voladizos llevando la carga y el momento al nudo próximo. 3. Estudie la estructura en cuanto a la posible forma de moverse. Identifique cuales grados de libertad son libres y cuales son restringidos, como también cuales son iguales ya sea por simetría o por despreciar deformaciones axiales. Aquí se puede tener en cuenta si se desprecian deformaciones axiales o no, por lo general, para vigas con cargas perpendiculares las deformaciones axiales se pueden despreciar y los desplazamientos horizontales en sus extremos serán iguales. En este paso también es importante identificar si un elemento aporta o no rigidez a un tipo de movimiento especificado.
- 2. 4. Ensamblar esquemáticamente las matrices de rigidez de los elementos. Esto quiere decir que no se escriben los términos interiores de la matriz, solo se identifican los números de las filas y columnas con el número del grado de libertad correspondiente. Se pierde tiempo al escribir todos estos términos que al final no se necesitan. 5. Estudiar si algún elemento se debe corregir por articulación en sus extremos. En elementos tipo cercha solo es ensamblar aquellos grados de libertad de desplazamiento axial. Tenga en cuenta que elementos que continúan en voladizo no se corrigen por articulación para darles capacidad de soportar los momentos del nudo. Sí un solo elemento llega a un nudo articulado, este elemento no se tiene que corregir por extremo articulado ya que con solo decir que el momento es cero en ese grado de libertad ya quedaría corregido. 6. Ensamblar esquemáticamente la matriz de rigidez general de la estructura. Igual que para elementos, no se escriben los términos interiores sino los números de las filas y columnas con los grados de libertad. Tache aquellas filas y columnas cuyos movimientos son cero, identifique las filas y columnas de los grados de libertad libres y de los restringidos, identifique los grados de libertad que son iguales y que se pueden expresar como una solo incógnita, en resumen, condense la matriz de rigidez, una vez hecho esto con las filas y columnas esquemáticas, ensamble los términos interiores de la matriz de rigidez, solo aquellos que quedaron libres. 7. Encuentre, solo en los grados de libertad libres, el vector de fuerzas externas en los nudos y el vector de fuerzas de empotramiento perfecto. No hay necesidad de hacerlo para los grados de libertad restringidos o despreciados. 8. Empiece con la solución de la ecuación general [ 𝐹𝑒𝑥𝑡𝑒𝑟𝑛𝑎𝑠] = [𝐾𝑔𝑟𝑎𝑑𝑜𝑠 𝑙𝑖𝑏𝑟𝑒𝑠] ∗ [∆𝑙𝑖𝑏𝑟𝑒𝑠] + [ 𝐹𝐸𝑃] 9. Analice si desarrollando las ecuaciones por submatrices puede disminuir el orden de la matriz a invertir, esto se llama condensación estática. 10. Encuentre los desplazamientos de los grados de libertad libres y halle las fuerzas de extremo de elemento en estos grados de libertad. Las otras fuerzas de extremo se pueden hallar por estática en el elemento. No se justifica trabajar con toda la matriz de rigidez del elemento para hallar las otras fuerzas.