La barrera del análisis estructural y la representación gráfica en el desarrollo de los proyectos arquitectónicos: el caso de la Ópera de Sidney

En numerosas ocasiones a lo largo de la historia la imaginación de los creadores ha ido por delante de las posibilidades técnicas de cada momento. Así, muchas de estas nuevas ideas han requerido largos periodos de tiempo para materializarse como realidad construida, hasta que el desarrollo tecnológico e industrial hubo alcanzado un grado de madurez suficiente. En el campo de la arquitectura, estas limitaciones técnicas se han ido acotando paulatinamente hasta desembocar en la situación actual en la que cualquier planteamiento formal puede ser representado gráficamente y analizado desde un punto de vista estructural, superádose de este modo la barrera existente históricamente en el tratamiento de las formas. A lo largo del presente tesis doctoral se analiza cómo la formulación del Método de los Elementos Finitos en la década de los cincuenta y las curvas de Bézier en la década de los sesenta del siglo pasado y la posterior generalización de los ordenadores personales y de los programas informáticos asociados (C.A.D. y F.E.M. principalmente) en los estudios de arquitectura e ingeniería a partir de la década de los noventa, posibilitó el desarrollo de cualquier propuesta arquitectónica, por compleja que ésta fuese, provocando una verdadera revolución a nivel formal en el mundo de la arquitectura, especialmente en el campo de la edificación singular o icónica. Se estudia este proceso a través de ocho edificios; cuatro anteriores y otros tantos posteriores a la desaparición de la barrera anteriormente referida, establecida de forma simbólica en la década de los años ochenta del siglo XX: Frontón de Recoletos en Madrid, Edificio Seagram en Nueva York, Habitat ’67 en Montreal, Ópera de Sídney, museo Guggenheim de Bilbao, ampliación del Victoria & Albert Museum en Londres, tanatorio “Meiso no Mori” en Gifu y nueva sede de la CCTV en Pekín. De entre ellos, la Ópera de Sídney, obra del arquitecto danés Jørn Utzon, condensa gran parte de los aspectos relevantes investigados en relación a la influencia que los métodos de representación y análisis estructural ejercen en la concepción y construcción de las obras de arquitectura. Por este motivo y por considerarse un hito de la arquitectura a nivel global se toma como caso de estudio. La idea general del edificio, que data de 1956, se enmarca en una época inmediatamente anterior a la del desarrollo científico y tecnológico anteriormente referido. Esta ausencia de herramientas de diseño disponibles acordes a la complejidad formal de la propuesta planteada condicionó enormente la marcha del proyecto, dilatándose dramáticamente en el tiempo y disparándose su coste hasta el punto de que el propio arquitecto danés fue separado de las obras antes de su conclusión. Además, la solución estructural finalmente construida de las cubiertas dista mucho de la prevista por Utzon inicialmente. Donde él había imaginado unas finas láminas de hormigón flotando sobre el paisaje se materializó una estructura más pesada, formada por costillas pretensadas de hormigón con unas secciones notablemente mayores. La forma también debió ser modificada de modo ostensible respecto a la propuesta inicial. Si este edificio se pretendiese construir en la actualidad, con toda seguridad el curso de los acontecimientos se desarrollaría por senderos muy diferentes. Ante este supuesto, se plantean las siguientes cuestiones: ¿sería posible realizar un análisis estructural de la cubierta laminar planteada por Utzon inicialmente en el concurso con las herramientas disponibles en la actualidad?; ¿sería dicha propuesta viable estructuralmente?. A lo largo de las siguientes páginas se pretende dar respuesta a estas cuestiones, poniendo de relieve el impacto que los ordenadores personales y los programas informáticos asociados han tenido en la manera de concebir y construir edificios. También se han analizado variantes a la solución laminar planteada en la fase de concurso, a través de las cuales, tratando en la medida de lo posible de ajustarse a las sugerencias que Ove Arup y su equipo realizaron a Jørn Utzon a lo largo del dilatado proceso de proyecto, mejorar el comportamiento general de la estructura del edificio. Por último, se ha pretendido partir de cero y plantear, desde una perspectiva contemporánea, posibles enfoques metodológicos aplicables a la búsqueda de soluciones estructurales compatibles con la forma propuesta originalmente por Utzon para las cubiertas de la Ópera de Sídney y que nunca llegó a ser construida (ni analizada), considerando para ello los medios tecnológicos, científicos e industriales disponibles en la actualidad. Abstract On numerous occasions throughout history the imagination of creators has gone well beyond of the technical possibilities of their time. Many new ideas have required a long period to materialize, until the technological and industrial development had time to catch up. In the architecture field, these technical limitations have gradually tightened leading to the current situation in which any formal approach can be represented and analyzed from a structural point of view, thus concluding that the structural analysis and the graphical representation’s barrier in the development of architectural projects has dissappeared. Throughout the following pages it is examined how the development of the Finite Element Method in the fifties and the Bezier curves in the sixties of the last century and the subsequent spread of personal computers and specialized software in the architectural and engineering offices from the nineties, enabled the development of any architectural proposal independently of its complexity. This has caused a revolution at a formal level in architecture, especially in the field of iconic building. This process is analyzed through eight buildings, four of them before and another four after the disappearance of the above mentioned barrier, roughly established in the eighties of the last century: Fronton Recoletos in Madrid, Seagram Building in New York Habitat '67 in Montreal, Sydney Opera House, Guggenheim Museum Bilbao, Victoria & Albert Museum extension in London, Crematorium “Meiso no Mori” in Gifu and the new CCTV headquarters in Beijing. Among them, the Sydney Opera House, designed by Danish architect Jørn Utzon, condenses many of the main aspects previously investigated regarding the impact of representation methods and structural analysis on the design and construction of architectural projects. For this reason and also because it is considered a global architecture milestone, it is selected as a case study. The building’s general idea, which dates from 1956, is framed at a time immediately preceding the above mentioned scientific and technological development. This lack of available design tools in accordance with the proposal’s formal complexity conditioned enormously the project’s progress, leading to a dramatic delay and multiplying the final budget disproportionately to the point that the Danish architect himself was separated from the works before completion. Furthermore, the built structure differs dramatically from the architect’s initial vision. Where Utzon saw a thin concrete shell floating over the landscape a heavier structure was built, consisting of prestressed concrete ribs with a significantly greater size. The geometry also had to be modified. If this building were to built today, the course of events surely would walk very different paths. Given this assumption, a number of questions could then be formulated: Would it be possible to perform a structural analysis of Utzon’s initially proposed competition-free-ways roof’s geometry with the tools available nowadays?; Would this proposal be structurally feasable?. Throughout the following pages it is intended to clarify this issues, highlighting personal computers and associated software’s impact in building design and construction procedures, especially in the field of iconic building. Variants have also been analyzed for the laminar solution proposed in the competition phase, through which, trying as far as possible to comply with the suggestions that Ove Arup and his team did to Jørn Utzon along the lengthy process project, improving the overall performance of the building structure. Finally, we have started from scratch and analyzed, from a contemporary perspective, possible structural solutions compatible with Utzon’s Opera House’s original geometry and vision –proposal that was never built (nor even analyzed)-, taking into consideration the technological, scientific and industrial means currently available.

Caracterización morfológica y geométrica de curvas tipo para diseño de pantallas acústicas tubulares y su aplicación al campo de la protección ambiental en la ingeniería civil

El desarrollo económico y social, a veces excesivamente rápido, que se ha producido en las últimas décadas ha generado una serie de problemas medioambientales generalmente más acuciantes en el entorno de las grandes ciudades. Dentro de este contexto y debido a este desarrollo exponencial de las actividades humanas, la contaminación acústica se ha convertido en uno de los problemas de peor solución, tanto a nivel de reducción como de atenuación, por lo que el diseño de pantallas acústicas está siendo uno de los objetivos prioritarios en la lucha contra la contaminación sonora. La expresión más extendida para designar a las barreras acústicas es la de pantallas acústicas, entendiéndose por éstas, muros de espesor relativamente pequeño concebidos como barreras acústicas. Hasta la fecha los avances en el diseño de estas pantallas han sido notables y ya se cuentan por cientos los kilómetros de las mismas que han sido construidas e instaladas, sobre todo en la periferia de las grandes ciudades cerca de las llamadas vías de tráfico rápido. Estos avances se han centrado sobre todo en el diseño de materiales de gran poder de absorción de las ondas, como método principal de atenuación, o bien en la forma geométrica de la superficie expuesta al tráfico, formas que por medio de reflexiones son capaces de anular o mitigar parte de la energía transportada por las ondas sonoras. A la vista de estos resultados las actuales pantallas acústicas reducen el nivel sonoro por atenuación, pero no son capaces de anular la onda incidente. Por otro lado, los últimos estudios de la tecnología japonesa en estos temas es el análisis del problema de borde, ya que este fenómeno de difracción es uno de los causantes principales del nivel sonoro en el trasdós de la pantalla. Pese a que es imposible anular este efecto de borde los estudios se han encauzado a intentar obtener una forma de la sección de la pantalla en su parte superior que sea capaz de mitigar este efecto, bien por interferencia entre las ondas incidentes o bien por superposición de diversos fenómenos de difracciones. En este orden de cosas entra a escena el concepto de pantalla tubular, como una nueva pantalla perforada que anula ondas sonoras basándose en el efecto físico de los tubos de Kundt. Su funcionamiento es debido a la propiedad de las ondas sonoras de producir resonancias al transmitirse dentro de cavidades de diferentes secciones tipo. Este tipo de pantallas se olvida del concepto clásico de pantalla acústica y su forma de atenuar el sonido y pasa al cálculo de la atenuación por eliminación de frecuencias. Esta tesis ofrece una nueva visión de este tipo de pantallas tubulares, optimizando su funcionamiento en función de la longitud de las cavidades tubulares, que han de ser diseñadas no de forma rectilínea, sino según directrices de curvas conocidas. El método operativo consistirá en aplicar las propiedades morfológicas de estas curvas a la propagación de ondas dentro de cavidades curvilíneas, obteniendo una serie de funciones de onda transmitidas y otras anuladas, lo que permite evaluar el porcentaje de energía que es capaz de anular cada tipo de curva para un espesor prefijado de pantalla. Este planteamiento nos permite elaborar un método de diseño y optimización por consideraciones exclusivamente geométricas, en función de un número muy reducido de parámetros, entre los que destaca la frecuencia que se presenta con mayor asiduidad, que es la principal causante del nivel sonoro. Asimismo, el método está apoyado en gran manera en un soporte gráfico, lo que le hace de sencilla aplicación incluso entre técnicos no excesivamente acostumbrados a trabajar con ondas sonoras. Como resumen final, las aportaciones más relevantes que incorpora esta tesis son las siguientes: Desarrollo práctico de la teoría global de pantallas acústicas tubulares ; Aplicación de la geometría clásica, en el concepto de longitudes de curvas tipo, a las técnicas de ingeniería del medio ambiente lo que representa un avance cualitativo notable ya que hasta la fecha no se había planteado la interacción de dos disciplinas en apariencia tan dispares y de conceptos tan heterogéneos ; Desarrollo de un método secuencial que es capaz de engarzar el análisis acústico de un cierto flujo de tráfico vehicular con el análisis geométrico de curvas tipo y dotar así al futuro diseñador de pantallas acústicas de una poderosa herramienta que le permita variar la tipología y forma de la pantalla en función de parámetros que pueden variar de manera aleatoria.

Geometric characteristics of conics in Bézier form

Derive coordinate-free expressions for geometric characteristics of conics written in Bézier form in terms of their control points and weights.

Driving assistance system applied in curves for real vehicles | Sistema de ayuda a la conducción en curvas para vehículos reales

Decreasing the accidents on highway and urban environments is the main motivation for the research and developing of driving assistance systems, also called ADAS (Advanced Driver Assistance Systems). In recent years, there are many applications of these systems in commercial vehicles: ABS systems, Cruise Control (CC), parking assistance and warning systems (including GPS), among others. However, the implementation of driving assistance systems on the steering wheel is more limited, because of their complexity and sensitivity. This paper is focused in the development, test and implementation of a driver assistance system for controlling the steering wheel in curve zones. This system is divided in two levels: an inner control loop which permits to execute the position and speed target, softening the action over the steering wheel, and a second control outer loop (controlling for fuzzy logic) that sends the reference to the inner loop according the environment and vehicle conditions. The tests have been done in different curves and speeds. The system has been proved in a commercial vehicle with satisfactory results.

Non-degenerate developable triangular Bézier patches

In this talk we show a construction for characterising developable surfaces in the form of Bézier triangular patches. It is shown that constructions used for rectangular patches are not useful, since they provide degenerate triangular patches. Explicit constructions of non-degenerate developable triangular patches are provided.

Geometric characteristics of conics in Bézier form

Synthetic derivation of closed formulae of the geometric characteristic of a conic given in Bézier form in terms of its control polygon, (P; Q; R) and weights, (1; w; 1g)

Implementación de algoritmos para la manipulación de curvas concoides en diseño geométrico

Este proyecto se enmarca dentro de la Computación Simbólica y de los fundamentos matemáticos del Diseño Geométrico Asistido por ordenador (CAGD). Se abordara uno de los problemas principales en el ámbito del CAGD y que es la manipulación de las Curvas Concoide. La importancia del avance en la manipulación de las curvas concoide radica en el papel fundamental que desempeñan en múltiples aplicaciones en la actualidad dentro de campos de diversa índole tales como la medicina, la óptica, el electromagnetismo, la construcción, etc. El objetivo principal de este proyecto es el diseño e implementación de algoritmos para el estudio, cálculo y manipulación de curvas concoides, utilizando técnicas propias del Calculo Simbólico. Esta implementación se ha programado utilizando el sistema de computación simbólica Maple. El proyecto consiste en dos partes bien diferenciadas, una parte teórica y otra más practica. La primera incluye la descripción geométrica y definición formal de curvas concoide, así como las ideas y propiedades básicas. De forma más precisa, se presenta un estudio matemático sobre el análisis de racionalidad de estas curvas, explicando los algoritmos que serán implementados en las segunda parte, y que constituye el objetivo principal de este proyecto. Para cerrar esta parte, se presenta una pequeña introducción al sistema y a la programación en Maple. Por otro lado, la segunda parte de este proyecto es totalmente original, y en ella el autor desarrolla las implementaciones en Maple de los algoritmos presentados en la parte anterior, así como la creación de un paquete Maple que las recoge. Por último, se crean las paginas de ayudas en el sistema Maple para la correcta utilización del paquete matemático anteriormente mencionado. Una vez terminada la parte de implementación, se aplican los algoritmos implementados a una colección de curvas clásicas conocidas, recogiendo los datos y resultados obtenidos en un atlas de curvas. Finalmente, se presenta una recopilación de las aplicaciones más destacadas en las que las concoides desempeñan un papel importante así como una breve reseña sobre las concoides de superficies, objeto de varios estudios en la actualidad y a los que se considera que el presente proyecto les puede resultar de gran utilidad. Abstract This project is set up in the framework of Symbolic Computation as well as in the implementation of algebraic-geometric problems that arise from Computer Aided Geometric Design (C.A.G.D.) applications. We address problems related to conchoid curves. The importance of these curves is the fundamental role that they play in current applications as medicine, optics, electromagnetism, construction, etc. The main goal of this project is to design and implement some algorithms to solve problems in studying, calculating and generating conchoid curves with symbolic computation techniques. For this purpose, we program our implementations in the symbolic system “Maple". The project consists of two differentiated parts, one more theoretical part and another part more practical. The first one includes the description of conchoid curves as well as the basic ideas about the concept and its basic properties. More precisely, we introduce in this part the mathematical analysis of the rationality of the conchoids, and we present the algorithms that will be implemented. Furthermore, the reader will be brie y introduced in Maple programming. On the other hand, the second part of this project is totally original. In this more practical part, the author presents the implemented algorithms and a Maple package that includes them, as well as their help pages. These implemented procedures will be check and illustrated with some classical and well known curves, collecting the main properties of the conchoid curves obtained in a brief atlas. Finally, a compilation of the most important applications where conchoids play a fundamental role, and a brief introduction to the conchoids of surfaces, subject of several studies today and where this project could be very useful, are presented.

Aplicación de la programación en Autolisp en la enseñanza de la geometría. Curvas trocoidales

En este artículo presentamos las posibilidades que, desde un punto de vista didáctico, ofrece la programación en AutoLISP en la enseñanza de la geometría, en particular en el trazado y aplicación de curvas trocoidales. La idea original consistía en realizar un programa que crease un nuevo comando de AutoCAD capaz de trazar cualquier curva trocoidal –tanto particulares (evolventes y cicloides) como no particulares (epitrocoides, hipotrocoides o peritrocoides)–, con independencia de la situación del punto generador (alargadas, acortadas o normales). La elaboración del programa es relativamente simple. Para obtener todos los puntos de la curva es necesario aplicar siempre las mismas propiedades, lo que hace especialmente aconsejable la automatización del proceso. El programa realizado permite seleccionar sobre la pantalla generatriz y directriz, así como el punto que genera la curva. Se nos ofrece, asimismo, establecer el sentido de giro de la ruleta, la precisión de puntos hallados en cada ciclo (tantos como deseemos o como nuestro ordenador sea capaz de soportar), el número de vueltas y, por último, la posibilidad de apreciar, o no, la generación de la trocoide. Esta última opción permite observar, en la pantalla del ordenador, el giro de la generatriz sobre la directriz y la generación progresiva de la curva. Esta pequeña animación –contenida en un comando de AutoCAD– ha convertido un programa originalmente concebido para el trazado de curvas trocoidales, en una herramienta didáctica.

Energía fotovoltaica: Trazador de curvas V-1 para seguimiento de módulos solares

Definición, construcción y puesta en marcha de un trazador de Curvas I-V en placas fotovoltaicas con fines docentes, comparándolo con otros métodos de medida. Para lo cual se han realizado diferentes ensayos: Barrido de Curva V-I módulo KC50 Barrido de Curva V-I módulo KC85GX-2P Barrido de Curva V-I con sombreado de células Barrido de Curva V-I con conexión en serie y en paralelo Barrido de Curva V-I sin diodos “by-pass” Barrido de Curva V-I con conexión en serie y en paralelo sin diodos “by-pass” Abstract Definition, construction and startup of a tracer IV curves in photovoltaic panels for teaching purposes, compared to other measurement methods. The trials completed can be summarized as follows: Sweep curve V-I module KC50. Sweep curve V-I module KC85GX-2P Sweep curve V-I with shaded cells. Sweep curve V-I with series and parallel connections. Sweep curve V-I without “by-pass” diode. Sweep curve V-I with series and parallel connections without “by-pass” diodes.

Tratamiento de imágenes de mineral acarreado post-voladura. Análisis de curvas granulométricas y comparativa mediante sistemasplit on-line y Split desktop: automático y manual

En este proyecto se han analizado distintas imágenes de fragmentos de rocas de distintas granulometrías correspondientes a una serie de voladuras de una misma cantera. Cada una de las voladuras se componen de 20 imágenes. A posteriori utilizando el programa Split Desktop en su versión 3.1, se delimitaron los fragmentos de roca de los que está compuesta la imagen, obteniéndose posteriormente la curva granulométrica correspondiente a dicha imagen. Una vez se calculan las curvas granulométricas correspondientes a cada imagen, se calcula la curva media de todas ellas, pudiéndose considerar por tanto la curva media de cada voladura. Se han utilizado las distintas soluciones del software, manual, online y automático, para realizar los análisis de dichas imágenes y a posteriori comparar sus resultados. Dichos resultados se muestran a través de una serie de gráficos y tablas que se explican con detalle para la comprensión del estudio. De dichos resultados es posible afirmar que, el tratamiento de imágenes realizado de manera online y automático por Split, desemboca en el mismo resultado, al no haber una diferencia estadística significativa. Por el contrario, el sistema manual es diferente de los otros dos, no pudiéndose afirmar cual es mejor de los dos. El manual depende del operario que trabaje las imágenes y el online de los ajustes realizados y por tanto, ambos tienen ciertas incertidumbres difíciles de solucionar. Abstract In this project, different images of rock fragments of different grain sizes corresponding to a series of blasts from the same quarry have been analyzed. To study each blast, 20 images has been used and studied with the software Split Desktop 3.1. Rock fragments from each image has been delimitated with the software, obtaining a grading curve of each one. Once these curves are calculated, the mean curve of these data set is obtained and can be considered the mean curve of each blast. Different software solutions as manual, online and automatic, has been used for the analysis of these images. Then the results has been compared between them. These results are shown through a series of graphs and tables, that are explained in detail, to enhance the understanding of the study. From these results, it can be said that the image processing with online and automatic options from Split, leads to the same result, after an statistical study. On the contrary, the manual Split mode is different from the others; however is not possible to assert what will be the best. The manual Split mode depends on the operator ability and dedication, although the online mode depends on the software settings, so therefore, both have some uncertainties that are difficult to solve.

Aplicación del M.E.F. al dibujo de curvas

Se presenta una aplicación muy concreta del Método de Elementos Finitos al trazado de carreteras, que puede ser de interés en algunos casos específicos como en el tratamiento del problema de optimización.