Programas Informáticos. Cálculo de estructuras. Herramientas Actuales

1. INTRODUCCIÓN

Durante el proceso de elaboración de cualquier proyecto arquitectónico, una vez que se definen todas las directrices formales y constructivas, se han de concretar y definir, con una adecuada precisión, los diferentes elementos que la componen (sistemas constructivos, condiciones de borde, cargas…)

En este sentido, muchas de las decisiones se toman a partir del razonamientos lógicos o intuitivamente, pero existen otras que pueden emprenderse por medio de procedimientos de cálculo numérico apoyándose de las ventajas que ofrecen la informática y que permiten resultados más exactos del problema abordado Los programas de cálculo de Estructuras tienen como función realizar estos procesos de análisis numéricos de forma ágil y rápida; y proporcionar datos que faciliten el conocimiento del comportamiento estructural más aproximado de la estructura, y así facilitar la definición de algunos de los elementos del proyecto, especialmente los que componen el soporte de esta.

En general podemos considerar que estos programas actúan con dos estrategias diferentes:

1. Pre-dimensionamiento de los elemetnos estructuras en función de las características definidas por el usuario.2. Estimar el comportamiento de los elementos estructurales sometidos a determinadas condiciones previstas.

Cuando se utilizan programas de cálculo se han de diferenciar claramente los resultados que proporciona el ordenador y el comportamiento que tendrá en la realidad el modelo analizado.

Para poder estar totalmente seguros de que los resultados que proporciona el ordenador coinciden con el verdadero comportamiento de la estructura, es necesario tener una idea clara de lo que significa calcular estructuras por medio de un ordenador.

2. MODELO MATEMÁTICO

Cuando los programas de cálculo proporcionan los resultados, no quiere decir que en la realidad la estructura se va a comportar como tal y como lo determinan estos.

Lo que se obtiene son unos resultados numéricos producto de unos determinados algoritmos de cálculo (modelo matemático) sobre unos datos previamente proporcionados por el usuario del programa que, supone, describen numéricamente la situación del problema a resolver.

Existen diversos modelos matemáticos para el cálculo de estructuras que responden a determinados parámetros y condiciones.

1. Tipología de problemas: los modelos matemáticos están pensados para problemas concretos, por tanto cada uno de ellos tiene un ámbito de aplicación definida. Es por consiguiente importante conocer el ámbito de aplicación para poder garantizar la veracidad de los resultados.
2. Grado de complejidad del método de cálculo: frecuentemente es posible escoger entre diversos modelos matemáticos para solucionar el mismo problema esto depende de la complejidad del problema así como de la economía del proceso de cálculo

En general se pueden obtener resultados más exactos utilizando programas basados en métodos de cálculo más complejos, por ejemplo el método de elementos finitos, pero normalmente esto es a costa de emplear más tiempo encomia, ya que los datos requeridos para su ejecución son mayores aunque gracias a la informática estos se van reduciendo cada vez más.

El cálculo de estructuras por medios de programas informáticos, por consiguiente es una tarea que se realiza en tres niveles, pre‐proceso, proceso y pos‐proceso

1. Modelización. Seleccionar un programa que utilice el modelo matemático (calculo matricial de barras, método de los elementos finitos) más adecuado al problema a abordar y plantearlo en término de que el programa sea fácil de usar, así mismo que permita una adecuada y lógica discretización de la estructura.

2. Aplicación: utilización del programa, introduciendo los datos necesarios para describir los elementos a calcular y dando las ordenes para realizar el análisis correspondiente y obtener resultados deseados.

3. Interpretación: Recepción, comprensión y evaluación de los datos obtenidos, primeramente para verificar su fiabilidad y después para poder utilizarlos en la definición de los elementos de proyecto.

Para poder realizar estas operaciones con garantía de que los resultados sean correctos es imprescindible que el usuario tenga los conocimientos necesarios sobre el comportamiento y el cálculo de estructuras, ya que si no es así estos programas pueden convertirse en herramientas muy peligrosas en manos de inconscientes.

La facilidad cada vez mayor de utilización de éstos aumenta el riesgo de que su uso sea incorrecto ya que el saber introducir los datos no significa que se podrá asegurar la fiabilidad de los resultados.

SAP = Bobo, memo

3. MODELO INFORMÁTICO DE CÁLCULO

Dos grandes grupos de métodos informatizados de cálculo: métodos generales, válidos en principio para cualquier tipo de aplicación, y métodos particulares, ligados directamente a aplicaciones específicas, como puede ser el caso de las instalaciones o las estructuras.

3.1. METODOS GENERALES.

Algunos ejemplos habituales de utilización de hojas de cálculo son:

‐ Cálculo de elementos estructurales simples: cimentaciones, muros de contención, tensión y deformación en barras;
‐ Cálculo de aislamiento térmico de elementos constructivos compuestos;
‐ Cálculo de aislamiento acústico;
‐ Cálculo simplificado de pequeñas redes de fluidos;
‐ Mediciones y presuuestos;
‐ Facturas y formularios automatizados que impliquen cálculos de costes;
‐ Cuadros de organización y planificación del proyecto;
‐ Cuadros de evolución y planificación de la obra

3.2 MÉTODOS PARTICULARES

Métodos particulares. Programas específicos, la alternativa al uso de métodos genéricos, válidos para todo tipo de aplicaciones, es utilizar programas adaptados a casos concretos. La "adaptación" se refiere no sólo al tipo de cálculo sino a todo el entorno del programa, que facilite la entrada de cierto tipo de datos y cuente con suficientes utilidades para gestionar la información de modo adecuado.

Si se quiere intervenir directamente en el proceso y elegir programas específicos conviene tener en cuenta lo siguiente al evaluar las posibles alternativas:

a) Comprobar el modelo matemático en que se basa, lo que implica un determinado ámbito de aplicación y un determinado grado de precisión y, consecuentemente, de complejidad.

b) Comprobar la mayor o menor facilidad de utilización. Hay programas específicos que pueden requerir un excesivo grado de especialización en su manejo.

c) Comprobar la posible integración con otras aplicaciones. Un requisito habitual es asegurar la compatibilidad con programas de CAD de uso corriente. Por ejemplo, en la mayoría de los casos será necesario comprobar si pueden exportarse datos en formato DXF o DWG sin pérdida de información relevante.

4. MÉTODOS UTILIZADOS EN EL CÁLCULO DE ESTRUCTURAS

4.1. CLASIFICACIÓN GENERAL.

En el cálculo de estructuras se utilizan diversos métodos que, desde un punto de vista muy general, se pueden clasificar en analíticos, numéricos y experimentales.

4.1.a. Métodos analíticos

Los métodos analíticos permiten formular un resultado de modo universal, en función de símbolos no comprometidos con resultados concretos y, por función de símbolos no comprometidos con resultados concretos y, por consiguiente, con la mayor o menor exactitud de éste. Son fundamentales desde el punto de vista teórico pero de escaso interés práctico, pues en muy pocos pasos es posible pasar de modo directo de la formulación al resultado sin utilizar técnicas adicionales que garanticen la fiabilidad de éste.

4.1.b. Métodos experimentales

Los métodos experimentales se aplican en procesos de fabricación en los que se comprueba la resistencia real de un elemento concreto, sea por medio de maquetas a pequeña escala, sea por medio de prototipos a escala real cuando se trate de elementos, como puede ser el caso de una vigueta pretensada de la que se van a producir un gran número de unidades.

4.1.c. Métodos numéricos

Los métodos numéricos, por el contrario, están basados en estrategias adecuadas que permiten controlar el grado de precisión o prever desviaciones imprevistas de los resultados esperados. Esto es particularmente importante cuando se utiliza un los resultados esperados. Esto es particularmente importante cuando se utiliza un ordenador y determinadas formulaciones "mal condicionadas" pueden pasar inadvertidas. Un caso típico es la resolución de dos ecuaciones con dos incógnitas como las siguientes: a) x + y = 10; b) 999x + 1.001y = 20, que representan dos rectas casi paralelas y que requieren una considerable precisión en la obtención del resultado, lo que puede pasar inadvertido a primera vista. Otros casos característicos vienen dados por la manipulación de matrices con muchos ceros en la diagonal principal.

En el cálculo de estructuras los métodos de cálculo numérico más conocidos son:

a) el cálculo elástico de elementos independientes;

b) el método de Cross, poco utilizado actualmente ya que era muy adecuado para el cálculo manual, pero está siendo sustituido por métodos que superan la complejidad de cálculo de otros métodos por la capacidad proporcionada por los ordenadores;

c) el cálculo matricial

d) el cálculo por el método de los elementos finitos.

e) métodos experimentales de modelización de materiales.

4.2. CLASIFICACIÓN TIPO DE ELEMENTOS QUE COMPONEN LA ESTRUCTURA.

a) modelos basados en barras teóricamente lineales (unidimensionales);

b) modelos basados en elementos continuos bidimensionales o tridimensionales;

c) modelos mixtos.

4.3. CLASIFICACIÓN MODELO TOPOLÓGICO DE LA ESTRUCTURA

a) un modelo bidimensional ortogonal, con una simplificación considerable pero aceptable para casos concretos y relativamente corrientes;

b) un modelo bidimensional libre, con una simplificación más flexible, que será viable siempre que la estructura se pueda descomponer en planos;

c) un modelo tridimensional ortogonal, más complejo y de resultados más precisos, con la limitación principal de la ortogonalidad de los elementos;

d) un modelo tridimensional libre que será, en definitiva, el tipo más flexible y que proporcionará resultados más precisos a costa de una mayor complejidad de cálculo.

4.4. APLICACIONES COMERCIALES

Por lo que respecta a aplicaciones comerciales, hay una gran variedad de programas específicos de cálculo de estructuras, orientados a necesidades y problemas diferentes, entre los que es necesario poder escoger los más convenientes. Al evaluar cada uno de ellos hablaremos de fijarnos básicamente en lo siguiente:

a) qué modelo matemático utilizan o, dicho de otro modo, qué ámbitos de aplicación y qué grado de complejidad y precisión conllevan;
b) qué tipo de interface utilizan: aunque esto no afecte a la precisión del cálculo puede tener consecuencias importantes, cuantificables en tiempo, derivadas de la facilidad de utilización;c) qué posibilidades tiene de integración con otras aplicaciones: por ejemplo, si admite dibujos o modelos elaborados con otros programas sin pérdida de información relevante.

5. CÁLCULO MATRICIAL

Consiste en representar por medio de mallas mediante una descomposición de sus elementos en dos categorías: barras y nudos. Esta representación vale para la estructura de un edificio, para una red eléctrica o para una red hidráulica. Muchos de los métodos de análisis de estas estructuras son comunes y permiten establecer analogías valiosas entre diferentes campos.

En el caso de una estructura arquitectónica es aceptable, en muchos casos, representar el conjunto como un sistema de barras y nudos que está sometido a acciones externas.

Los conceptos clásicos de resistencia de materiales, la ley de Hooke (enunciada hacia 1660) que establece una correspondencia lineal entre tensiones y deformaciones.	Posibilitan, a partir de la hipótesis de que la estructura permanece en equilibrio, obtener una serie de ecuaciones que nos describen su estado.
O los teoremas de Mohr (formulados hacia 1892) que permiten calcular los desplazamientos de los nudos.

Es posible evaluar las dimensiones necesarias de los elementos reales que permitan absorber estos esfuerzos.

Presupone una simplificación notable: en una estructura formada por vigas y pilares éstos quedan sustituidos por ejes que deben, en general, formar pórticos planos. Se parte del supuesto de que el material es homogéneo, que la sección es constante a lo largo de todos los ejes y que las cargas y los ejes de las barras están situados en un mismo plano. Esta simplificación es aceptable en muchos casos de aplicación práctica y el método tiene unos sólidos fundamentos teóricos y prácticos.

Su mayor inconveniente era, hasta mediado de este siglo, el gran número de ecuaciones, con otras tantas incógnitas, que había que resolver. Esto ha cambiado radicalmente con la aparición de los ordenadores, lo que ha revolucionado el cálculo de estructuras y ha convertido el cálculo matricial en el método de cálculo más utilizado en sus diversas variantes que, de un modo u otro aplican los métodos del cálculo matricial a la resolución del cálculo de estructuras relativamente simples.

6. MÉTODO DE ELEMENTOS FINITOS

La simplificación inherente a los métodos de cálculo matricial es aceptable en muchos casos, en otros es necesario tener presente la continuidad real de la estructura.

Emparentado con el método del cálculo matricial considera la estructura como descompuesta idealmente en elementos yuxtapuestos, de geometría simple. Estos elementos, que tienen una determinada dimensión, variable según los casos, los "elementos finitos", se consideran a su vez formados por elementos discretos, puntos aislados situados en su contorno, denominados "nodos" (no confundir con los "nudos" de las mallas que tienen un sentido físico distinto).

Esta idealización permite formular las ecuaciones de equilibrio de un modo similar a como se hace en el cálculo matricial.

El método sirve para el cálculo de estructuras unidimensionales, bidimensionales y tridimensionales. Englobándose en tres fases principales:

a) el diseño de la estructura, seleccionar un modelo matemático adecuado para el cálculob) el cálculo propiamente dicho, se procede a discretizar la estructura en elementos finitos
c) la interpretación y representación de los resultados que puede llevar eventualmente a una modificación de la estructura y a la repetición de todo el proceso.

El último paso es la interpretación de los resultados y la presentación gráfica y numérica de los mismos.

 Todo esto implica un programa informático que pueda procesar estos cálculos. Hay diversas alternativas comerciales, si bien hay que subrayar que la elección no es trivial y se deben ponderar al menos todos los factores mencionados más arriba.

7. UTILIZACIÓN DE PROGRAMAS DE CÁLCULO

8. CYPECAD vs. TRICALC

‐CYPE: las ventajas son de sobra conocidas, lo más destacable quizá sea su popularidad e implantación, su relativa sencillez de manejo y la "fiabilidad", y por supuesto su excelente soporte técnico y el equipo humano que hay detrás.…

‐TRICALC: programa de "todo en uno" que te permite modelizar toda la estructura desde la cubierta hasta la cimentación, mezclando distintas tipologías y materiales.

8.1. DIFERENCIAS

INTEGRACIÓN DE LOS MÓDULOS
TRICALC	CYPE Paquete por módulos independientes
Tricalc es un programa único, que incluye todos los módulos de cálculo: pórticos (de hormigón, acero o madera), forjados (unidireccionales, reticulares, losas, mixtos…), muros, escaleras, zapatas, pilotes… para bien o para mal, lo que se puede hacer, se hace en la propia obra; lo que no se puede hacer, no se hace.	Cypecad es el programa más ambicioso de Cype, un programa que calcula y arma estructuras de hormigón y acero. Sin embargo trabaja básicamente por plantas horizontales a las que se supone la hipótesis de diafragma rígido. Los forjados inclinados mantienen esta hipótesis, por lo que deben ser empleados con sumo cuidado. Metal 3D es un programa de cálculo matricial que además comprueba las barras de acero y de madera. No tiene limitaciones de Cypecad, pero no arma. Los otros módulos de Cype permiten resolver aisladamente problemas puntuales: muros de sótano, muros ménsula, muros pantalla, ménsulas cortas, punzonamiento, escaleras. Algunos de ellos son sumamente potentes (ej. Muros pantallas), otros no tanto (escaleras)
INTEGRACIÓN EN WINDOWS
TRICALC. Más completo	CYPE. Más sencillo
Está más avanzado. Tiene un entorno más configurable, barras de herramientas personalizables, teclas rápicas, posibilidad de abrir diversas ventanas.	Cype es muy suyo, con un entorno propio. No tiene instalación; simplemente copia los archivos en una carpeta (sí estaría bien que se pudieses personalizar en que carpeta y que fuese sólo una). No toca el registro, no llena la carpeta Windows de basura…
ERRORES INFORMÁTICOS. SOPORTE TÉCNICO
TRICALC	CYPE
Tricalc raramente da error, pero es más brusco, no emite mensaje alguno, simplemente se para.	Da con frecuencia errores informáticos (No se cumple comprobación de seguridad…). Particularmente siempre guardo copias de seguridad consecutivas de las obras, por si en algún momento el archivo se corrompe irreparablemente.
El soporte técnico de ambas compañías es excelente cuando tienes la licencia en vigor. La diferencia se produce cuando tienes una versión de prueba o versión pirata (en este caso hay que ser listo a la hora de preguntar) en Tricalc se acaba el soporte y en Cype siguen atendiendo.
MODELIZACIÓN DE FORJADOS
TRICALC	CYPE
Tricalc define el forjado como un elemento independiente de las vigas, que se calcula aisladamente por métodos elásticos o plásticos y que transmite unas cargas a las vigas, que se consideran rígidas. La estructura tridimensional de pilares y vigas se calcula con estas cargas. Este modelo considera la rigidez relativa de las vigas y las viguetas, aspecto señalado por J. Luis de Miguel en el texto Forjado Plano (VV.AA., 'Forjados armados', COAM 1984). El modelo de Tricalc es más parecido al empleado en el cálculo manual, basado en el cálculo del paño de forjado como viga continua sobre apoyos fijos, bien sea por métodos elásticos o métodos plásticos. En ninguno de los dos casos se modeliza directamente las capa superior de hormigón, sino que los nervios se consideran aislados. El efecto solidarizador de la capa superior de hormigón es uno de los argumentos de Tricalc para tratarlos forjados por paños.	Cypecad discretiza cada vigueta como una barra, coincidente con el eje de cada nervio, integrada en la matriz global de la estructura.
Ejemplo.- Supongamos cuatro muros formando un rectángulo de 10 m. x 4 m. Podríamos forjar con viguetas de 4 m., paralelas a los muros cortos. Sin embargo, nos da por poner una viga de 10 m entre los centros de los muros: Cype nos dará un error en las viguetas (momento positivo en apoyo de vigueta), ya que dada la poca rigidez de la viga las viguetas trabajarán igual que si no hubiese viga. Tricalc nos dará un error en la viga, ya que transmitirá la carga de las viguetas a la viga y esta no podrá resistirla. Evidentemente, esto es una estructura de ejemplo, pero muestra el comportamiento de ambos programas. Rizando el rizo, si constructivamente aseguramos la continuidad de la armadura inferior de las viguetas, volvemos a estar en el primer caso, es decir, como si no hubiera viga. Sin exagerarlo tanto, probamos con un rectángulo de 6x6m. Y la cosa empieza a no estar clara.
REPRESENTACIÓN Y ROTULACIÓN DE LOS FORJADOS
TRICALC	CYPE
Saca iguales todas las viguetas de cada paño, lo que en principio ofrece planos más limpios; si las vigas no son paralelas, cada vigueta tendrá una longitud diferente y sacará todas diferentes. Errores menos visibles, se obtiene un listado.	Saca cada vigueta con un armado diferente, que luego se puede igualar automáticamente según criterios. Errores más visibles, muestra las viguetas en rojo.
Ambos permiten el retoque manual de los armados, y consultar los diagramas de esfuerzos de viguetas, siendo más rápido en Cypecad que en Tricalc. Ninguno de los dos programas permite preigualar las viguetas antes del cálculo, es decir, agrupar las viguetas según apetezca.
ARMADO DE VIGAS. El tema de armado de vías es una de las grandes diferencias
TRICALC. Trabaja con opciones de armado	CYPE. Trabaja con tablas de armado
La filosofía es tan distinta que la comparación resulta difícil.
En Tricalc se definen unas opciones de armado genéricas: número máximo de barras, cuantía máxima, criterio de aumento (más barras o más sección), permitir o no armado en dos capas, etc. Estas opciones pueden particularizarse para cada barra o grupo de barras. Las barras pueden agruparse de diferentes maneras: por pórtico, por planta, manualmente, etc. Esta es una de las razones de esa apariencia de armados más uniformes en Tricalc, ya que no combina refuerzos de diferentes diámetros.	En Cypecad hay unas tablas de armado predefinidas y personalizables para cada obra o mediante bibliotecas. Estas tablas contienen una colección de armados concretos y los casos en los que son aplicables. Para armar una viga, Cypecad emplea, de entre aquellos armados aplicables a esa viga, el armado de menor cuantía que cumple las solicitaciones.
ARMADO DE MONTAJE.
TRICALC	CYPE
Se define la armadura de montaje que se colocará y se mantiene, si es preciso, se ponen más barras. Revisión de los armados: permite obtener un listado de errores (desde el listado, con un botón, se puede resaltarla viga) o lo que llama una gráfica de errores, que consiste en dibujar en rojo las barras que no cumplen. Permite un completo peritaje de las barras, en muchos puntos de la barra, aunque su edición es más engorrosa	Usa también tablas de armado y, aunque generalmente sale la mínima, en algunas vigas la aumenta por cálculo. Revisión de los armados: dibuja en rojo o en amarillo las vigas de errores. Cype no admite un peritaje tan detallado pero sí una manipulación manual del armado rápida y eficaz.
REVISIÓN DE PILARES.
TRICALC.	CYPE.
Opciones de armado.	Tablas de armado.
Revisión de armados: Es más sencilla en Cypecad pues los pilares se pueden consultar en el propio Es más sencilla en Cypecad, pues los pilares se pueden consultar en el propio entorno de trabajo, mientras que en Tricalc hay que entrar en el cuadro de pilares. También la edición del armado de los pilares es más cómoda.
INDRODUCCIÓN DE CARGA.
TRICALC	CYPE
Asocia a cada paño de forjado una carga repartida. Se pueden introducir con gran flexibilidad cargas en las vigas y en los nudos, con diversos valores, extensiones y direcciones, incluyendo fuerzas, momentos, asientos y resortes, lo que le da unas posibilidades enormes. Sin embargo, es muy problemático introducir cargas lineales en los forjados, especialmente en punta de voladizo (clásica carga de cerramiento). Creo que no se pueden introducir cargas puntuales en medio de un forjado.	Asocia a cada planta (o grupo de plantas) dos carga uniformes (carga muerta y sobrecarga), sobrecarga), a las que se añaden con total libertad cargas supeficiales, lineales o puntuales. Todas estas cargas son siempre verticales. Se pueden añadir también cargas horizontales actuando sobre los pilares.
Ninguno de los dos programas tiene métodos para considerar automáticamente el cimbrado de plantas consecutivas.
INDRODUCCIÓN DE CARGA DE VIENTO.
TRICALC	CYPE
Es más transparente, porque el programa se limita a asistir la introducción de datos y añadir cargas que se tratan de manera genérica, por lo que son visibles y editables.	Es más cómoda, ya que es totalmente automática en función de la situación, la altura y las franjas de carga.
HIPÓTESIS DE CARGA.
Se realizan en ambos programas respecto a la normativa y se añaden posibilidades de añadir varias hipótesis diferentes.
Con estas hipótesis, Cype y Tricalc se divierten haciendo un montón de montones de combinaciones.

10. CONCLUSIONES

¿Qué fácil es hacer la pregunta de cuál es mejor este o el otro?, sin embargo que difícil es la respuesta.

El mejor es aquel que te ayuda a realizar el trabajo día a día. Siempre digo lo mismo, busca y compara y el que mejor se adapte a tus necesidades ese será el mejor (sobre gustos, colores).

Compara facilidad de manejo y de introducción de datos, resultados obtenidos, transparencia de los mismos, obtención (con buena calidad) de planos y listados, precio y sobre todo cuando tengas un problema que exista alguien detrás para darte una solución y seguir con tu trabajo. Ese programa, para ti, será el mejor.

Yo, después de jugar con ambos programas, trabajo el cype que es el que me da todo eso, pero como decía un señor de un anuncio, busque, compare y si encuentra algo mejor, cómprelo.

11. BIBLIOGRAFÍA

Arktec.(s.f.). Obtenidodewww.tricalc.com

Ciao.(s.f.). Obtenidode http://www.ciao.es/Opiniones/CypeCAD__269963

Cype Ingenieros .(s.f.). Obtenidodewww.cype.es

Monedero Isoria, J.(2000). Aplicaciones informáticas en arquitectura. Barcelona: UPC.

Muñoz Salinas, F.(2000). Una contribución a la modelización y visualización numérica de estructuras arquitectónicas. Barcelona: Universidad Politécnica de Cataluña.

Solo Arquitectura.(s.f.).