Metodología para el desarrollo de entornos amigables de diseño distribuido en ingeniería utilizando internet. Aplicación al diseño de cajones flotantes de hormigón armado para muelles y diques

Resumen

En las zonas portuarias se realizan continuas actuaciones de ampliación y mejora, siendo el dique la obra por antonomasia, bien sea para espigones de protección o para líneas de atraque, muelles, etc. Fundamentalmente estos son de escollera o diques verticales mediante cajones aligerados sobre banquetas. España es uno de los países con más experiencia en la utilización de cajones aligerados y uno de los más avanzados en el desarrollo de la tecnología necesaria para su fabricación. El objetivo es diseñar elementos prefabricados de gran volumen y de relativamente poco peso en relación a éste, con los que cubrir grandes zonas de la obra portuaria. Particularmente, en lo que concierne al trazado de diques mediante alineamiento de cajones en zonas de gran calado, la definición inicial de la geometría del cajón es la fase en la que el proyectista debe tomar un mayor número de decisiones para armonizar un amplio listado de prescripciones. Entre otras, estas disposiciones hacen referencia al rango de dimensiones admisibles en cada caso, a la infraestructura de fabricación disponible (las características del encofrado inciden directamente en el grado de aligeramiento del fuste a través del diámetro de las celdas), a las condiciones de navegabilidad en transporte o de estabilidad en construcción. En el cálculo de armaduras, que sigue al establecimiento de la geometría del cajón, deben considerarse un elevado número de solicitaciones cualitativamente distintas. Así, por ejemplo, además de las acciones de empuje y succión que provoca el oleaje, hay que estudiar las provenientes del programa de lastrado de celdas para controlar el brazo estabilizador en la fabricación del cajón y el resguardo necesario en los trabajos de encofrado. La anegación y el rellenado de celdas para hundir la estructura en la posición definitiva en condiciones de bajamar o de pleamar, el empuje del terreno en el lado tierra o la presencia de superestructuras cerrando el cajón superiormente, junto con las cargas de explotación derivadas del uso final del conjunto, son también algunas solicitaciones a atender en el cálculo. En este documento se describe un modelo completo para el diseño y cálculo resistente de cajones y la definición de las armaduras necesarias. En paralelo, se ha desarrollado una aplicación informática para la realización de todas y cada una de las etapas involucradas, automatizando aquellos procesos que no requieran la intervención del usuario. El código está concebido para asistir al proyectista en el establecimiento de la geometría y de las hipótesis de carga a considerar, incluidas las correspondientes a las etapas de construcción, transporte y hundimiento, además de las de servicio. Finalizada esta primera fase, el usuario remite el diseño vía Internet a un servidor remoto que se encarga del cálculo resistente, de la determinación de cuantías y de la homogeneización de la solución de armado. Se consigue así trasladar al servidor los altos requerimientos en cuanto a coste computacional asociados a la etapa de cálculo. El cálculo en el servidor consiste básicamente en un análisis tensional tridimensional del cajón discretizado mediante elementos finitos hexaédricos cuadráticos de veinte nodos. Para la generación de una malla mediante el programa GiD de CIMNE se ha desarrollado un algoritmo adaptado a la particular geometría del cajón convirtiendo mediante técnicas multibloque la geometría inicial en un conjunto de volúmenes en forma de hexaedros, con los cuales es inmediato realizar una malla estructurada, teniendo en cuenta las posibles variaciones en la tipología y forma de los aligeramientos de la sección, así como las exigencias de definición en las gargantas en las que se realizará con posterioridad el armado. Tras determinar las tensiones con la aplicación CALSEF, también de CIMNE, se ha desarrollado un algoritmo de integración de las mismas en las gargantas para evaluar los esfuerzos y determinar así las cuantías necesarias, tanto en las armaduras horizontales que se disponen en forma de aros alrededor de las celdas, como en las barras verticales. El proceso finaliza con un programa de homogeneización de armado apropiado a la práctica constructiva. Es importante indicar que las condiciones en cuanto a espesores de pared y recubrimientos hacen necesario confiar al hormigón la resistencia a cortante, de forma que, salvo la losa que cierra inferiormente a la estructura, no se disponen armaduras de cortante en este tipo de elementos. Nótese también que el cajón es una pieza tridimensional geométricamente peculiar que no presenta ningún plano predominante de flexión por lo que no es de aplicación directa la teoría general de piezas lineales en cuanto al cálculo de armaduras. Por otro lado, el método alternativo de bielas y tirantes daría lugar a celosías equivalentes muy complicadas y de difícil interpretación y ejecución. Por ello, la técnica que se presenta es una alternativa a los modelos 2D mediante elementos finitos combinados con prácticas basadas en la teoría de silos procedimientos estos con los que se han calculado un buen número de cajones actualmente en servicio. Un aspecto destacable a la hora de desarrollar sistemas de software es el diseño de su arquitectura, entendida ésta como la estructura de los componentes de un programa o sistema, sus interrelaciones y los principios o reglas que gobiernan su diseño y evolución en el tiempo. El nivel de abstracción y las posibilidades de reutilización de la misma o de algunos de sus componentes aumentan mediante su descripción a través de diagramas y vistas lógicas realizados mediante lenguajes de modelado como UML. Las ideas que sustentan esta filosofía de programación se plasman en la realización de frameworks o marcos de trabajo, incluyendo una serie de componentes que serán instanciados, extendidos y reutilizados en cada caso concreto. Un framework permite encapsular un diseño marco específico de un dominio, con la idea de que pueda ser aprovechado por una familia de aplicaciones. Para materializarlo se implementan diversos patrones de diseño, que son otro enfoque útil para construir una arquitectura marco documentada. En el caso concreto de este trabajo, se ha optado por una arquitectura multi-plataforma basada en un esquema tipo Cliente/Servidor que incluye varias capas de software (multi-tier), cada una de ellas con responsabilidades específicas y bien delimitadas. Se ha conseguido que la parte del proceso relativa al cálculo, la de mayor coste computacional, se ejecute en el Servidor con posibilidad de reparto equilibrado de los trabajos en diferentes equipos. Como consecuencia, en el ordenador Cliente sólo son necesarios recursos mínimos. Las conexiones y transmisiones de datos entre el cliente y el servidor se establecerán mediante llamadas del cliente al servidor a través de un contenedor de aplicaciones, encargado de gestionar una serie de programas residentes, que en última instancia son los que gestionan con el PC la realización del cálculo en local en el software específico (motor de cálculo), chequean el estado del mismo y tras la finalización devuelven los resultados cuando el usuario los solicite. Por tanto, en este trabajo se desarrolla una metodología que permita la implementación de aplicaciones de diseño y análisis de elementos en ingeniería civil, distribuidas en varios ordenadores conectados entre sí a través de Internet. Como aplicación concreta de la metodología a desarrollar, se adaptará al diseño y análisis de cajones multicelulares aligerados de hormigón armado.