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.,

CUADERNO DE INFORMAT/CA

19

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

CUADER NO DE INFORMATlCA

20

oI

Mediciones,PresupuestosyControl de Costes

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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

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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.

CUADERNO DE INFORMATICA

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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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I

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Axonometria

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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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