Tipos de modelos de losas: Shell Thin, Shell Thick, Membrane y Layered
En el análisis estructural mediante el Método de Elementos Finitos (MEF), la selección del tipo de elemento es fundamental, ya que influye en la rigidez del modelo, las deformaciones y la distribución de esfuerzos.
En programas como ETABS y SAP2000, existen diferentes formulaciones para representar el comportamiento de las losas. Aunque visualmente puedan parecer similares, cada una responde a hipótesis mecánicas diferentes.
SHELL THIN: ELEMENTOS DE CÁSCARA DELGADA
Los elementos Shell Thin se basan en la teoría de Kirchhoff-Love, considerando el comportamiento de membrana y flexión, pero despreciando las deformaciones producidas por cortante transversal.
Esta formulación resulta apropiada para losas esbeltas, donde el espesor es relativamente pequeño respecto a sus dimensiones y la contribución del cortante transversal a las deformaciones es poco significativa.
Es importante aclarar que Shell Thin no elimina las fuerzas cortantes, sino que desprecia las deformaciones asociadas al cortante transversal.
SHELL THICK: ELEMENTOS DE CÁSCARA GRUESA
Los elementos Shell Thick se fundamentan en la teoría de Mindlin-Reissner, incorporando los efectos de membrana, flexión y deformaciones por cortante transversal.
Son especialmente útiles para analizar losas relativamente gruesas, cimentaciones tipo losa y regiones donde las deformaciones por cortante pueden tener una influencia importante.
La principal diferencia respecto a Shell Thin es que Shell Thick considera explícitamente la deformabilidad por cortante transversal.
Sin embargo, Shell Thick no es necesariamente más preciso en todos los casos. La elección depende de la geometría, las condiciones de carga y el comportamiento estructural que se desea representar.
MEMBRANE: ELEMENTOS SIN RIGIDEZ FLEXIONAL
Los elementos Membrane consideran únicamente el comportamiento en su propio plano, incluyendo esfuerzos normales y cortantes de membrana, pero sin incorporar rigidez flexional fuera del plano.
En programas como ETABS, las losas horizontales definidas como Membrane pueden utilizarse para distribuir las cargas gravitacionales hacia vigas y muros mediante procedimientos basados en áreas tributarias.
Esta distribución de cargas es una característica de la implementación del software y no debe confundirse con el comportamiento mecánico de un elemento membrana.
Una losa Membrane no equivale necesariamente a una losa simplemente apoyada. Su característica fundamental es que no proporciona rigidez flexional fuera del plano.
Por tanto, no es apropiada cuando se requiere analizar directamente los momentos flectores, las deformaciones verticales por flexión o la interacción flexional entre losas y vigas.
LAYERED: ELEMENTOS DE CÁSCARA MULTICAPA
Los elementos Layered permiten representar el espesor de una losa mediante distintas capas, cada una con propiedades mecánicas, materiales y orientaciones específicas.
En la formulación de CSI, estos elementos consideran el comportamiento de membrana, flexión y deformación por cortante transversal.
Su aplicación resulta especialmente interesante en el modelado de estructuras de concreto reforzado, ya que permiten representar el concreto y las capas equivalentes de acero de refuerzo.
Dependiendo de los modelos constitutivos asignados, también pueden utilizarse para estudiar comportamientos no lineales, como la fisuración del concreto y la plastificación del acero.
Sin embargo, utilizar elementos Layered no garantiza automáticamente una mayor precisión. Sus resultados dependen de la correcta definición de las capas, las propiedades de los materiales y las condiciones del análisis.
¿CUÁL DEBEMOS UTILIZAR?
Shell Thin: Para losas esbeltas donde las deformaciones por cortante transversal pueden despreciarse.
Shell Thick: Para losas y regiones donde es importante considerar las deformaciones por cortante transversal.
Membrane: Cuando se desea representar únicamente el comportamiento en el plano o excluir intencionalmente la rigidez flexional de la losa.
Layered: Para análisis que requieren representar materiales por capas, la distribución del refuerzo o el comportamiento no lineal.
UNA CONSIDERACIÓN IMPORTANTE
La elección entre Shell Thin y Shell Thick no sustituye las verificaciones de resistencia a cortante ni de punzonamiento. Estas deben realizarse independientemente, de acuerdo con los criterios de diseño correspondientes.
Asimismo, la precisión del análisis depende de otros factores, como la discretización de la malla, las condiciones de apoyo, las conexiones estructurales y las propiedades asignadas a los materiales.
En ingeniería estructural, el mejor modelo no es necesariamente el más complejo, sino aquel que representa adecuadamente el comportamiento físico de la estructura.
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