Tendencias digitales en análisis y diseño estructural

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La industria de la construcción está cada vez más digitalizada. Los ingenieros estructurales, un grupo más pequeño en la industria de la construcción, no siempre se consideran ingenieros que se unen de inmediato a las últimas tendencias. A menudo por una buena razón. Muchos consideran que esta es la razón por la cual temas como la utilización del método BIM aún no son la norma en ingeniería estructural. Sin embargo, en los últimos años se ha demostrado que ha comenzado un proceso de replanteamiento y que se han adoptado y aplicado nuevas tendencias digitales.

Encuentro industrial: digitalBau

En febrero de 2020, se celebró por primera vez en Colonia una nueva feria sobre "La digitalización en el sector de la construcción". Después de muchos años difíciles para las ferias típicas de software de construcción, este es el primer reposicionamiento con éxito de una feria en esta industria. También es notable que el evento se centró exclusivamente en el software y, por lo tanto, como suele ser el caso, este segmento de la industria no se perdió debido a la presencia de otros fabricantes de productos de construcción como ladrillos o canalones. Será interesante ver si el inicio exitoso continuará en los próximos dos años con un número creciente de expositores y visitantes. Ya está claro que fue una reunión para todos los fabricantes de software conocidos en la industria de la construcción en general y para el análisis estructural y el diseño en particular. Si sigue de cerca los desarrollos de los últimos años, puede ver algunas tendencias y digitalBau también fue una buena oportunidad para darse cuenta de ello.

El modelado de información de construcción se está volviendo cada vez más importante

Durante más de 20 años, los ingenieros civiles han estado estudiando cómo se pueden usar las opciones digitales para representar el ciclo de vida completo de los edificios. Pero solo ahora parece que más que unos pocos pioneros se ocupan de esto. Aún más, los ingenieros estructurales también reconocen este tema como una oportunidad para adquirir nuevos clientes, trabajar de manera más eficaz y presentar su oficina de ingeniería como innovadora y progresiva. Este último es un punto que no debe subestimarse cuando se trata de contratar ingenieros especialistas difíciles de encontrar y retenerlos por más tiempo.

Las nuevas versiones de software incluyen más herramientas para tratar mejor los datos 3D y comunicarse digitalmente. Esto fue precedido por varios años en los que los arquitectos han llegado a apreciar las ventajas de los gemelos digitales. Ayudan a crear visualizaciones atractivas y a realizar estimaciones de costes de forma rápida y precisa. Una vez que se han creado los modelos 3D, desea usarlos para otras tareas como el análisis estructural y el diseño.

Imagen 01 - Modelo de construcción en varias aplicaciones BIM y IFC Viewer, así como el modelo calculado en RFEM (Deformaciones, a continuación)

¿Por qué volver a empezar desde el principio si puede importar los modelos con la interfaz certificada Open BIM? Estas fueron las ideas hasta ahora. Sin embargo, ahora es bien sabido que un modelo de cálculo digital es fundamentalmente diferente del modelo 3D creado por el arquitecto, incluso si se ve igual a primera vista. Aunque se basa en las dimensiones y los datos del modelo del gemelo digital, no necesariamente contiene la información sobre los apoyos, las articulaciones y, por ejemplo, las cargas y combinaciones de cargas asociadas que son esenciales para un cálculo. Además, el modelo de análisis contiene simplificaciones significativas, sin las cuales ningún cálculo eficaz sería posible incluso hoy en día. Por ejemplo, en el modelo BIM, todos los componentes estructurales se describen como sólidos.

Sin embargo, en el modelo de análisis estructural, los elementos sólidos rara vez se utilizan en los cálculos. En cambio, las columnas y vigas se modelan como elementos finitos 1D, es decir, con un nudo inicial y final y una línea intermedia. La rigidez del elemento se describe mediante los valores de la sección y la longitud de la línea. Por lo tanto, las geometrías de sólidos 3D degeneran en modelos de alambre simples. Esto a su vez significa que las líneas centrales y las superficies de pilares, vigas, techos o muros no siempre se encuentran en un nudo o una línea y, por lo tanto, puede llegar fácilmente al modelo de estructura alámbrica mencionado. En cambio, la posición de las líneas de acción estructurales a menudo se debe mover y definir con mayor precisión para obtener un modelo de análisis coherente y combinable.

Imagen 02 - Diferentes variantes de la derivación de un modelo de análisis para una conexión de acero atornillada (líneas rojas y nudos) para el cálculo en un programa marco

Dado que esto requiere conocimientos de ingeniería, no siempre se puede automatizar completamente por software y puede llevar mucho tiempo. El software BIM de última generación muestra este problema y ambos modelos, incluido el modelo estructural, están disponibles. Las herramientas especiales alargan, acortan o encuentran puntos cercanos y los definen como nudos estructurales. Si estos modelos estructurales se transfieren al software de análisis estructural en el siguiente paso, se requiere un formato de intercambio común. Este no tiene que ser necesariamente el formato IFC independiente del fabricante. Hay varios ormatos así como interfaces directas entre BIM y el software de análisis estructural, donde los datos se importan directamente de un programa a otro sin un archivo intermedio.

Nuevas soluciones digitales para simulaciones de cargas de viento

Una vez que se ha importado el modelo en el software de análisis estructural, debe refinarlo aún más. Además de los apoyos, las articulaciones y otros parámetros mecánicos, la aplicación de la carga es un gran paso. En el enfoque tradicional, se hacen suposiciones de carga y se introducen en el modelo analítico como cargas en barra o superficiales. Para formas de construcción regulares, los estándares de carga indican qué cargas se deben aplicar. La aplicación de cargas de peso propio, cargas impuestas y de nieve generalmente causa pocos problemas. La situación es diferente para las cargas de viento. Los flujos de viento y las turbulencias solo están regulados para objetos simples de construcción. Incluso las cosas más comunes, como buhardillas, aleros, marquesinas o edificios parcialmente abiertos, pueden conducir rápidamente a situaciones en las que no está claro si hay cargas de succión o compresión y qué tan grandes son. Sin embargo, con la opción de planificar digitalmente, es posible que desee diseñar formas de construcción arquitectónicamente sofisticadas y extravagantes. Incluso si se pueden hacer suposiciones de carga aquí, es muy engorroso y lento aplicarlas. Al igual que con el uso del análisis estructural para simular flujos de viento, también puede usar los métodos de MEF que, por ejemplo, generalmente se utilizan en la ingeniería mecánica para el análisis de flujos. Es obvio usar simulaciones digitales para los flujos de viento y para determinar las presiones del viento en los edificios.

Por lo tanto, la simulación de cargas de viento fue un tema principal en el stand de la empresa de software de análisis y diseño estructural Dlubal en digitalBau en Colonia. El programa correspondiente con el nombre RWIND Simulation se puede interpretar como un túnel de viento digital. Lo que de otra manera se analiza en los modelos de réplica en uno de los pocos túneles de viento en Alemania de una manera costosa y que consume mucho tiempo ahora se puede analizar mucho más rápidamente. Los modelos digitales, como ya están disponibles cuando se utiliza el método BIM, se importan en el software y, por lo tanto, se pueden mostrar con un alto nivel de detalle. Además, la topografía de los alrededores y los edificios adyacentes son importantes en las simulaciones de viento. Estos también se pueden importar y alinear adicionalmente en relación con el edificio. Las normas relevantes especifican las velocidades y turbulencias básicas del viento que se aplicarán en los diagramas. Puede definirlos en el software como un perfil de viento vertical según la norma. Con estas especificaciones, comienza la simulación de flujos de viento desde diferentes direcciones. Como resultado, obtenemos visualizaciones animadas de los flujos y velocidades del viento, así como las presiones resultantes en la superficie de la estructura, que luego se pueden usar como una carga estructural.

Imagen 03 - Simulación de la carga de viento del CIMU - ILE DE SEGUIN, París, en el túnel de viento digital en RWIND Simulation (© www.bouygues.com)

El túnel de viento digital se puede utilizar de forma aún más eficaz en combinación con el software de análisis estructural RFEM. Los modelos de análisis 3D se pueden transferir directamente al túnel de viento digital. Una vez completada la simulación, las cargas se transfieren automáticamente como un caso de carga estructural. Mediante el uso de software CFD como RWIND Simulation, una parte significativa del análisis estructural se eleva a un nivel completamente diferente. Los supuestos de carga basados en CFD proporcionan la oportunidad de determinar acciones de carga más realistas y posiblemente más económicas y seguras para las estructuras de soporte. La utilización de modelos 3D en el análisis estructural y la simulación de viento también ahorra tiempo al introducir cargas de viento. Por otro lado, existe la discrepancia de que las aplicaciones de carga que se basan en estándares de carga no se corresponden con las cargas determinadas numéricamente desde el análisis CFD. Esto genera dudas, especialmente si el nivel de carga es menor. Aquí se necesitan cálculos de referencia y validación de resultados numéricos contra puntos de referencia conocidos.

Sin embargo, también se puede argumentar que las pruebas en túneles de viento reales solo representan la realidad aproximadamente debido a los modelos muy reducidos, los errores de medición y la distribución de los sensores. Además, es difícil determinar la elasticidad de los edificios en una prueba de túnel de viento real. Las soluciones numéricas ofrecen un gran potencial aquí. Además, los estándares de carga son métodos muy simplificados, que generalmente se consideran como una herramienta segura. Ambos métodos de determinación de carga (prueba de túnel de viento real y métodos simplificados del estándar de carga) representan, por lo tanto, solo aproximaciones de la realidad. Por lo tanto, las cargas determinadas por medio de CFD y RWIND son al menos una buena alternativa y ayudan a comprender las condiciones reales. Este es un buen ejemplo de cómo la industria de la construcción se puede beneficiar de la digitalización, BIM, así como de productos innovadores y nuevos. Además del modelo de arquitectura y análisis, también se requiere un modelo de viento digital. Esperemos que las circunstancias legales y los métodos de comprobación del análisis estructural se adapten a las nuevas posibilidades y den forma activa al progreso técnico.

Imagen 04 - Distribución de presión de un edificio residencial con garaje en el túnel de viento digital por RWIND Simulation

Servicios basados en la nube

Otro tema muy discutido es la utilización de servicios basados en la nube para el análisis y diseño estructural. Sin embargo, no se trata solo de guardar datos en los servidores, sino también de proporcionar información en la web y su uso automatizado. En relación con el análisis estructural, ya hay muchos ejemplos en los que se pueden realizar cálculos en la web. Un ejemplo de cómo la planificación estructural se puede beneficiar de los servicios basados en la nube es la herramienta de zonas geográficas de Dlubal Software. Este servicio incluye mapas de zonas para determinar rápidamente las cargas de nieve, las velocidades del viento, así como los datos sísmicos y de tornados de muchos países del mundo. Actualmente se están desarrollando acciones por tsunamis, temperatura, lluvia o formación de hielo. Los mapas de zonificación se basan en mapas digitales de servicios de mapas en línea como Google Maps u OpenStreetMap. Para cada país, están disponibles las normas respectivas. Un número limitado de solicitudes está disponible sin costo. Su acceso se activa en todos los mapas de zonas después de haber iniciado sesión. Está disponible una aplicación web adicional para la transferencia automática de datos desde sitios web de terceros para cualquier ubicación. De esta forma, el servicio también se puede incluir en otras aplicaciones.

Imagen 05 - Servicio en línea de Dlubal para la determinación de cargas de viento sobre la base de servicios de mapas basados en la nube

Además, puede utilizar las Propiedades de la sección en línea. Anteriormente, tenía que actualizar los documentos u obtener propiedades de la sección en forma impresa regularmente, pero ahora puede acceder a las últimas versiones en línea. No solo están disponibles las secciones estándar, sino también las formas de las secciones que puede introducir mediante las dimensiones. Por lo tanto, el servicio en línea proporciona mucho más que un libro de mesa impreso inalterable.

Imagen 06 - Servicio en línea de Dlubal con bibliotecas de secciones completas y determinación de los valores de secciones para análisis y diseño estructural

Los programas de AEF y los proyectos calculados con ellos a veces son tan complejos que, en algunos casos, es necesario un contacto intensivo con el fabricante del software. Una vez más, hay una tendencia hacia una formación en línea más espontánea y reuniones de apoyo. Al igual que en la vida privada, se puede contactar directamente con el equipo de soporte y los usuarios, al menos para preguntas simples iniciales. Ahora, esto va mucho más allá de la solicitud de correo electrónico habitual y puede utilizar las funciones de comentarios en los canales de redes sociales como Facebook o Instagram para contactar con la empresa. Algunos fabricantes también ofrecen funciones de chat en sus sitios web, que buscan automáticamente posibles respuestas a las preguntas formuladas mediante inteligencia artificial. Si solía reservar un curso de formación que incluye un viaje de varios días, ahora puede ampliar sus conocimientos en el canal de Youtube con un seminario web grabado o un evento para clientes.

Imagen 07 - Canal de YouTube de Dlubal con seminarios web técnicos detallados sobre varios temas estructurales

Las páginas web, por ejemplo de Dlubal Software, se han desarrollado en un portal de análisis estructural completo. Además del foro tradicional, hay numerosas preguntas frecuentes (FAQ) que ayudan a resolver los problemas fuera del horario de oficina. Los artículos técnicos proporcionan experiencia en temas específicos. Todo el contenido está disponible de forma gratuita y, además, aprovecha las amplias opciones de búsqueda para encontrar tu artículo relevante.

Imagen 08 - Página web de Dlubal con artículos técnicos y ejemplos de cálculo

Palabras clave

BIM Modelado de información de la construcción RWIND Carga de viento Simulación de carga de viento CFD Ingeniería estructural

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  • Actualizado 7. abril 2021

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