1992-6 sistemas de cálculo de estructuras desde entornos de cad
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SISTEMAS DE CALCULO DE ESTRUCTURA·S DESDE ENTORNOS C.A.D.osiblemente una de las más antiguas aspiraciones de todos los que , de una forma u otra, nos hemos dedicado durante bastantes años al diseño y cálculo de estructuras por medio de ordenador, ha sido la consecución de una interacción, cada vez más fácil y fluida entre los programas de cálculo y los de diseño asistido. sto lejano para los Equeya era un deseonos iniciamospreen los años 70 en el uso de unos enormes artilugios que cisaban de unTRANSCRIPT
SISTEMAS DE CALCULODE ESTRUCTURA·S DESDE
ENTORNOS C.A.D.
P osiblemente una de las más antiguas aspiraciones de todos los
que , de una forma u otra, nos hemosdedicado durante bastantes años al diseño y cálculo de estructuras por medio deordenador, ha sido la consecución deuna interacción, cada vez más fácil y fluida entre los programas de cálculo y losde diseño asistido.
Esto ya era un deseo lejano para losque en los años 70 nos iniciamos en
el uso de unos enormes artilugios que precisaban de una habitación entera, cientos de cables y conexiones, una gigantesca consola llena de lucecitas que seencendían u apagaban sin ningunarazón aparente (nunca he conocido anadie que de verdad supiera entenderlas) y hasta aire acondicionado, paraproporcionarnos 64 Kb de memoria deusuario. A esto se le añade un accesorealmente pintoresco a base de cintas otarjetas perforadas y nos lleva a unasituación imposible de entender a quienes no la han vivido, afirmación que sostengo firmemente , puesto que lo heintentado muchas veces. Esto, junto conunas enormes limitaciones, nos ha proporcionado a los que de nos incorporábamos a ello la sensación de ser pioneros enalgo llamado a ser importante, junto conel hecho de que realmente nos divertimos bastante.
A l c o b a de veinte años hemospodido vivir , con cierta acelera
ción y a veces, con algún agobio, unaincreíble evolución de máquinas, lenguajes, sistemas operativos y aplicaciones detodo tipo, color y pelaje, Pero sin embargo lo esencial ha permanecido constante y la verdad es que la evolución ha sidomás lenta de lo que a primera vista parece. Es cierto que los inl.cloles 64 Kb delIBM-360 son ahora rebasados por el peorde los equipos imaginables, que las velocidades de cálculo se duplican en mesesy que los entornos gráficos nos proporcionan posibilidades insospe chadas enaquellos años en los que el ordenador
era una máquina ciega , o sea carentede toda posibilidad de visión. El hardwareha evolucionado en forma realmenteasombrosa, pero, lo que ya entonces seintuía como el aspecto esencial de lainformática, el software, ha evolucionadomucho más lentamente. La mejor pruebade ello es que, así como son relativamente escasas las personas que han sidocapaces de seguir el hardware, sonmuchas más las que han sido capacesde seguir el desar rollo del software sin serrebasadas por las nuevas aplicaciones,Algo así como que "los viejos programadores nunca mueren".
Yesto no es debido a la gran habilidad de los mismos, aunque algún
caso se dará, sino más bien a que la evolución ha sido más lenta de lo que parece, No ha sido especialmente rápida enlosprogramas de propósito general y aúnmenos en los más específicos. Algunosejemplos pueden darnos una idea clarade esto,
Ve a m os el caso del programaAutoCAD, ampliamente difundido
y conocido y comparemos tres versionesrelativamente recientes, la 2,17 de 1983,la 10,0 de 1989 y la 11 ,O de 1991 , La primera citada corresponde a un tratamiento gráfico fundamentalmente bidimensional. aunque admite la elevación sobre unplano. La segunda es claramente tridimensiona l, aunque apenas incorpora utilidades para la modelización. La tercerapresenta como novedad más importantela integración del modelado en la aplicación base. Realmente la evolución hasido muy importante , pero los usuarioscon un pequeño esfuerzo han podidoseguirla sin especiales problemas,
P odríamos multiplicar los ejemplos ycitar las numerosísimas aplicacio
nes que se han ido introduciendo encualquier estudio de arquitectura, comobases de datos, hojas de cálculo, procesadores de textos, etc o bien programasmás específicos como programas de cálculo de estructuras, mediciones, C.A.D.,
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etc. Es fácil ver que el seguimiento de losmismos, al menos a nivel de usuario, no esImposible ni mucho menos. Se pod ráar gü ir que es evidente que las casascomerciales han tenido gran cuidado deno despistarlo con sus sucesivos productos. pero pensamos que esto rezaría conuna casa comercial y no especialmentecon sus directas competidoras. Es difícilmantener pactos de no agresión a largoplazo y por ello pienso que si la dinámicano es mayor, es porque no puede serlo .
En el campo concreto de losprogramas de cálculo de estructuras la
tón ico es similar a la general. Lo evolución ha sido relativamente rápido en losprogramas de propósito general . comolos de elementos finitos y menor en los deaplicac iones específicas como los quecalcu lan estructuras porticadas de hormigón o acero. En estos últ imos casos sehan producido novedades Importantesen las fases de preproceso y de postproceso de la estructura, pero, como ya seseñaló en anter iores Jornadas. los gran-
Planta del conjunto
V/sla con la cupula cerrada
des problemas de la modelización y cálculo de la misma. apenas han incorporado novedades significativas desde los primeros tiempos.
Estas mejoras señaladas en las fasesde preproceso y postproceso. en
buena medida van permitiendo aquellavieja aspi rac ión d e poder rea lizar laentrada de datos y obtener la solida delos resultados con la menor separaciónposible del proceso de diseño. Se trotabay se trata en defini tiva de poder definir eldiseño del edificio. Incluyendo su estructura . por medio de un ordenador y. apartándose lo menos posib le del entorno enel que se ha diseñado el edificio . que elordenador efectúe por sí mismo el cálculo de la estructura y nos aporte los resultados en fo rma de pl anos ut ilizables enobra . Es evidente que la modelización dela estructura es algo que debe definir elproyectista . pero las fa ses tradic ionalesde idealización de pórticos, cál culo delas acciones sobre los mismosy definiciónde sus coacciones. pueden ser realizadasautomáticamente o casi por el propioordenador.
P ues bien , esto ya es casi totalmenteposible y lo que tal vez sea lo más
a tractivo para el arqu itecto es que todasestas prestac iones. que en muchos casosllega n o rebasar las necesidades prácticas de un estudio normal de arquitectura . están al alcance de ordenadores tipoPC. sencillos y baratos. pero dotados deuna capa c idad y rapidez. real menteimportantes. Por ello en el resto de esteartí cul o se hablará desde el punto devista de un usuario de este tipo de ordenadores, como los más difund idos en elcampo arqu itectónico . sin entrar en consideraciones propias de otros tipos, simplemente por su menor difusión.
En el momento actual. buena pa rtedel diseño de la edificación se rea
liza dentro de un programa de CAD. depropósito general. de los que existen eneste momento muchos en el mercado. Atítulo de ejemplo podemos citar, a nivelPC. AutoCAD. Arris . Cadkey, etc. En elcaso concreto de los ejemplos que sevan a citar. todos ellos han sido realizadoscon Au toCAD 10.0 y en los cosos demo delad o de sólid os se ha empleadoAutoShade. Estos prog ramas. sensIble mente mejorados en la versión 11.0 deAutoCAD. son los que consideramos queproporcionan los mejores prestacionespara lo generación y manipulación deobjetos y por consiguiente paro el diseñoarquitectónico asistido por ordenador.
En cambio los programas de estructuras suelen realizarse en lenguajes
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oI
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softwareoriginalfirmado
de programación más orientados al análisis matemático, como BASIC, QUICKBASIC, FORTRAN, C, PASCAL, etc. Estos lenguajes son , sin duda, más adecuados ala manipulación matemática p rec isapara abordar con éxito los complejos cálculos precisos,
La diferencia entre ambos entornosno es rad ical , Así e l prog rama
AutoCAD emplea en su mayoría un lenguaje, el AutoLlSP, que permite real izarcálculos matemáticos. También los lenguajes de programación ci tados permiten el desarrollo de aplicaciones gráficasy es perfectamente posible la programación en dichos lenguajes de aplicacionesde C.AD. El problema real es el de la eficiencia : Las ventajas de unos y otros lenguajes en sus entornos específicos , sonmuy notorias. En lo sucesivo nos referiremos a ellos como " Ent o rno C ,A ,D, " y"Entorno de programación ",
Son posibles diversas formas de interaccionar entre uno y otro entorno.
En función del número de las fases deInterca mb io ut ilizadas clasificaremos losprogramas como de tipo A. B, o C. Desdeluego esta clasificación es en ciertomodo arbitraria como todas.
Lo S programas de tipo A son aquellos en los que los datos se generan
o introdu cen a través del entorno de pro gramación, de acuerdo c on un esquemasimilar al de la figura (Fig.l )
eamo se ve , la generación se efectúa por medio de un lenguaje de
programación. pero eso no signif ica quela int rod uc c ión de los datos tenga porque ser numérica. En las primeras aplicaciones la única soluc ión posible era precisamente ésta : La introducción numéricade datos por medio de c inta o tarjetasperforadas, Posteriormente, en los primeros pro gramas desarrolladas para PCs, losdatos. Igualmente numéricos. se introducían a través del teclado. En el momentoactual casi todos los programas permiten
1 ENTORNO CA D ENTORNO PROCRA.... C1 0N t
IENTRADA: 'DATOSe,
CENERACIONv
~I CAlCULO I
~IS'UDA: PU.NOS :: SOLUCIONES RESULTADOS I.... .t vr I
~ I
Fig. 1Esquema del programa típo A
generar automáticamente la estructuraen forma de pórticos planos o espacialesen introducir sus datos en forma inte ractiva. Este proceso se ha ido perfeccionando y en este momento se rea liza enforma muy cómoda en casi todos loscasos,
En las figuras 2, 3, 4. 5, 6. p uedenverse algunos ejemplos de progra
mas que siguen esta ~nea. desarrolladospor el Departamento de Tecnología de laConstrucción de la Universidad de LaCoruña. Las figuras 2. 3 Y 4 correspondena un programa de pórticos planos desarrollado por Javier Alvarez Pablos. quepermite una generación y manipulaciónmuy cómodas y un elevado nivel de cálc ulo y las figuras 5 y 6 corresponden aotro p ro g ra ma de pórticos espac ial esdesarrollado como Trabajo Fin de Carre raen la E.U.AT. de La Coruña por GermánBarreiro y Javier Torreiro .
En términos generales las características de estos programas son:
-Admiten creación y manipulación gráficas de las entradas de datos.- Admiten variaciones de los datos enforma de edición,- Generalmente se manipulan sólo puntos y líneas: Los nudos de la estructu raporticada y sus barras.-Los salida final suele hacerse a travésde ficheros .DXF o similares a un entorno C.AD. con lo que pueden obtenerse planos ut ilizables de la estructura .Esto es especialmente útil en los programas de estructuras portlcadas dehormigón al permitir la salida en formade planos de armado.
El segundo ti p o d e prog ra mascorresponde a aquellos en los que
la generación de la estructura se desarrolla en un entorno de CAD, es decir en elmismo entorno en el que puede efectuarse el d iseño general. Su esquema sería(Fig. 7.)
Estos programas prácticamente permiten cumplir nuestra vieja aspira
ción de que la introducción de los datosde cálculo sea casi automática a partirdel diseño del edific io . En efec t o , losdatos de geometría , cargas y coacciones de la estruc tura se definen desde unentorno de C.AD. con una metodologíay ayudas prácticamente gráficas en sutotalidad. El propio programa genera elmodelo de cálculo y transporta los datosde dicho modelo al entorno de programación. En éste se efectúa el cálculo y seobtienen los resultados. que nuevamentese transportan al entorno C.AD. para pro ducir los p lanos finales.
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Deformado
Mod,ficoclon de geomelnaEn este caso concreto el entornoC.A.D. empleado es una aplica
ción específica llamada CYPECAD, quefacilita considerablemente las ayudasespecíficas (Fig 8). Sin embargo no existeen principio inconveniente alguno para elempleo de programas de CAD. de propósito general. De hecho los últimos programas desarrollados por el prof.Argüelles para el cálculo de estructurasmetálicas, pueden generarlas desdeAutoCAD.
Un ejemplo conocido de esta técnica es el programa CYPE, La técni
ca utilizada consiste en generar en unentorno C.A. D., una planta tipo de laestructura y, por sucesivas traslaciones, Flg 2Enlrada dedatos· Geometncagenerar la totalidad de las plantas consus respectivas variantes.
A través de diversas ventanas deayuda es posible definir las car
gas, secciones iniciales, tipos de vigas ypilares, Criterios de cálculo y armado,etc.
~ENTORNO CAD ENTORNO PROGRAMACION
;IENTRADAo DATOS "
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GENERACION CALCULO... .....I
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Axonometria
Axonometna
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Flg 5 Entrado grafica deuno planto Ilpo
Fig. 6.Entrado de otro planto tipo
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1. J.J I.l1
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IIO!'ft IC _'loau ...nlll U N ' , ~IM .-...o I_
Una de las mayores ventajas de estetipo de programas c onsiste en que
simplifica enormemente el siempre tedioso trabajo de estimar las cargas y repartirlas entre los pórticos de la estructura, Eneste caso el proceso es automático y enla mayor parte de los casos más preciso yfiable. Además permite en casi todos loscasos la introducción de cargas que engeneral no se consideran correctamentecomo cargas superficiales distintas en distintas zonas, cargas lineales, cargas puntuales, etc. (Fig, 9 Y 10).
Uno de los aspectos de mayor interés para la ejecución de este tipo
de programas es el traslado de la información generada en el entorno gráfico aun entorno de programación. Aunque laforma concreta de resolverlo es específica de cada programa y generalmenteesta información es cuidadosamenteinaccesible al usuario, una posible solución consiste en el almacenamiento convencional de los datos introducidosnuméricamente y el almacenamientocomo atributos de bloque de la información generada gráficamente, Estos sedesarrollarán al hablar de los programasde tipo C.
A sí pues, en este momento podemos dar por resuelto el problema
de generar gráficamente una estructuray que el propio ordenador genere auto- Fig. 7Esquema deprogramación delipo B
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.....1..
máticamente los modelos de cálculo. loscalcule y proporcione resultados utilizables en forma de planos de obra. Es lógico pensar que en el futuro aparezcandiversas mejoras. pero muy probablemente sigan esta línea. De hecho esta esla tendencia de las últimas versionescomerciales de los programas de cálculode estructuras.
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S in embargo para estructuras noconvencionales este planteamien
to puede ser insuficiente. En efecto cuando el estado de cargas afecta sensiblemente la forma de la estructura. comosucede en muchas estructuras ligeras decubierta. los planteamientos unívocosque hemos descrito no pueden abordarel problema con eficacia. Para ellaspuede plantearse un tipo de problemasque definimos como tipo e y que secaracteriza porque puede ser precisoefectuar sucesivas transformaciones entreel entorno de programación y el deCAD. con el fin de aprovechar al máximo las potencialidades de cada uno. Unposible esquema sería el señalado en lafigura 11.
Este planteamiento ha sido el utilizado para la generación y manipula
ción de estruc turas desplegables. es deci raquellas formadas por conjuntos debarras que pueden plegarse en forma depaquete compacto y desplegarse paracubrir un recinto. Este tipo de cubiertastienen unos condicionantes geométricosmuy estrictos. por lo que deben generarse en un entorno de programacion específico y t rasladarse a un en torno C.A.D.para su manipulaCión e incorporación dedatos de condiciones de contorno y decargas obtenidas experimentalmentecomo el caso del viento. Después deberán volver al entorno de programación siesta manipulación a fecta a l comportamiento de la estructura. para ser recalculada en dicho entorno. Es fácil observarque el planteamiento global es muycomplejo. por lo que nos remitimos a labibliografía. que contiene los últimosresultados de nuestra investigación eneste tema.
S in embargo. pese a lo especializado de esta investigación. algunos
de los resultados y métodos creemos quetienen interés general. Son los que corresponden a las técnicas desarrolladas parael traslado de información entre ambosentornos. La técnica utilizada ha sido
ARC /VOSDE UION
ENTORNO PROGRAMACION
.0 r
Fig. " Esquema deprogramas lipaC.
Flg 9 'Representaclón de los tipOS decargas
Flg /0 Plan la de estructura capturada conAutoCad
SOLUCIONES
ENTORNO CAD
Flg B Planta cande/mlclon de /odoslos elementos es/ructurales
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mixta, utilizando ficheros tipo .DXF, ficheros de guión y bloques.
Un fichero .DXF es un archivo en formato ASCII que contiene las enti
dades de un dibujo. Puede ser generadoen un entorno C.A.D. con una simpleorden, pero también puede ser generado ITnea a línea desde un entorno de programación o bien leído desde el mismo.Es un medio rápido y relativamente sencillo de trasladar información entre ambosentornos, pero tiene el inconveniente deocupar bastante espacio y de ser bastante difícil de entender y controlar.
Un fichero de guión es una lista deórdenes de dibujo en formato
ASCII. Ocupa menos espacio que el .DXFy es mucho más fácil de entender, perotiene el inconveniente de que su ejecución precisa bastante tiempo. Es un sistema sencillo, atractivo y muy controlabley, al menos en la investigación universitaria el tiempo no suele ser problema. A finde cuentas la noche es larga y el ordenador trabaja sólo.
Una tercera vía de intercambio deinformación consiste en asignar
ciertos valores necesarios para el cálculocomo atributos de un bloque. En lasestructuras desplegables estos datos suelen asignarse a los nudos. La técnicaempleada consiste en definir como bloques círculos en uno capa que se oculta.A este bloque se le asignan como atributos alfanuméricos diversos datos comocargas. coacciones. e é . Estos atributospueden generarse dIrectame nte en elentorno de programación o int rod uc irsecon ayudas del sistema C.A.D.
Esta es la técnica empleada en lamodelización de la propuesta que
un equipo del Departamento deTecnología de la Construcción de laUniversidad de La Coruña, presentó en elConc urso Internac iona l para la cubricióndel Bergiselstadion de Innsbruck. Se tratade una cúpula desplegable de 120 m deluz, para cubrir la zona de espectadoresde un stadium para saltos de esquí. Losdatos que se han transferido en sucesivastransformaciones entre ambos entornosson:
Coordenadas de los nudos:(.DXF)
Conexiones nodoles de las barras:(.DXF)
Tipos de barras:(color)
Coacciones de nudos:(bloque)
Cargas (gravitatorias, viento, nieve) :(bloque)
Por último la información final desecciones de barras se transfirió por
medio de un archivo de guión, que permitió la modelización completa de laestructura y la generación de sus superficies por medio del programa AutoSHADE.En la figura 12 se muestra el proceso dedespliegue de la cúpula y las fotografíasmuestran distintos aspectos del modelado final de la misma.
JUAN P. VALCARCEL.
Catedrático de Estructuras.E.T.SA. La Coruña.
FÉLIX ESCRIG.Pro! Titular de Estructuras.
E.T.SA. Sevilla.
-------- - - AGRADECIMIENTOS. ---------
Esta investigación se ha desarrollado en el marco de un proyecto de investigación de laDGICvr.
REFERENCIAS.
1.-PÉREZ PIÑERO, E."Estructures reticulées".L'Architecture d'Aujourd'hui. VoI.141.Dec.1968.pp 7681.
2.-EscIlIG, F.; P.VALCARCB.., J.B. "Analysis of ExpandableSpace BarStructures". Int. Symposium onMembrane structures and Space Fromes IASS. Osaka.1986.
3.-EscIlIG, F.; P.VALCARCB.., J.B. "Curved ExpandableSpace griels". Non-conventional structures'87.London 1987.
4.-P.VALCARCB.., J.B.; EscRIG, F. "Analysis ot curved expanclable space bar structures" Int.Symposium on 10Years of Progress in Shell and Spatialstructures. IASS. Madrid 1989.
5.-EscRIG, F.; P.VAI.CARCB., J.B. "Tocover a Svvimrning Poolwithan Expandable structure".InternationalConference on Mobile and Rapidly AssembledStructures. MARAS'91. Southampton1991.
6.-P.VALCARCB.., J.B.; EscIlIG, F. "ExpanclableStructureswith setf-folding Textile Cover". lntematlonalConference on Mobile ancl RapidlyAssembledStructures. MARAS'91 .Southampton 1991 .
7.- P. VALCARCB.., J.B.; EscRIG, F. "Large Span Expandable Domes"Symposium on Large Spanstructures.lASS. Toronto. 1992.
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