Title: Tutorial Simulador West Point Bridge Designer
Course: Tecnologia 3r ESO 1r T

Tutorial. Disseny del pont

Tutorial Bridge Designer

Els simuladors d’estructures resistents són habituals a la indústria de la construcció i obres públiques. Permeten calcular tots els paràmetres d’una estructura, sotmetre-la a proves de càrrega, inclús, calcular el seu cost. Afortunadament, existeix un simulador estructural gratuït, perfectament adaptat a l’aprenentatge d’aquests continguts en l’educació secundària. Es tracta de WPBD (West Point Bridge Designer), un programa creat per una acadèmia militar dels EUA com una introducció a l'enginyeria per alumnes de secundària. Aquest tutorial intenta explicar les instruccions bàsiques que apareixen en anglès en la web del programa.

Aquest programa et proporcionarà les eines necessàries per dissenyar, provar i optimitzar un pont de carretera d’acer, basat en especificacions, limitacions i criteris de prestacions realistes. Per obtenir el programa el pots descarregar d’aquest enllaç web.

El programa és lliure i gratuït. Una vegada instal·lis el programa, has de clicar a Inici>programes>West Point Bridge Designer 2016 per a poder iniciar el programa. S’obrirà una finestra amb un ‘truc del dia’. Ho pots llegir, i anar passant les finestres, i finalment tancar-ho.

També pots treure el tic on posa ‘show tips at startup’ i ja no et sortiran més aquestes finestres al començar el programa.

A continuació, apareix la finestra de benvinguda del programa.

Aquí tens l’opció de clicar a ‘About’ i s’obrirà una finestra d’ajuda, tipus tutorial dels diferents apartats del programa. En anglès. Per començar a dissenyar el teu pont, has de clicar a ‘create a new bridge design’. Pots carregar fitxers que tinguis guardats al teu ordinador, o un exemple de pont de mostra amb les altres opcions.

Pantalla 1. Aquí ens explica com serà el nostre disseny

Requisits del disseny:

Com a enginyer d’Obres Públiques, que treballa pel Ministeri de Transports, ets el responsable de dissenyar un pont, per suportar una carretera de dues direccions a través de la vall d’un riu.

 Els teus objectius són:

 1. Assegura’t que el pont pot suportar amb seguretat el seu propi pes a més del pes de la càrrega d’un camió.

 2. Mantenir el cost del projecte tan baix com sigui possible.

Per llegir unes especificacions del disseny completes, has de prémer el botó Help de més avall.

Orientacions pel disseny:

 El programa de disseny de ponts WPBD t’ajudarà a satisfer aquestes necessitats. L’elevació de la carretera sobre el riu (que podràs definir al pas número 3) estarà fixada automàticament en el tauler del dibuix. WPBD calcularà el cost del teu projecte a mesura que el vagis fent. També et proporcionarà un assaig de càrrega simulat per comprovar la seguretat estructural del teu pont, utilitzant el tauler asfaltat i el camió estàndard que podràs escollir al pas 4. Si la teva estructura no és suficientment resistent per a suportar les càrregues requerides, WPBD et mostrarà els elements de l’estructura que hauràs de reforçar.

Pantalla 2. En la segona pantalla, l’assistent de disseny et preguntarà si estàs participant en algun concurs de disseny. Si així fos, has d’introduir el teu codi de concursant. En el nostre cas, no caldrà fer res aquí i hauràs de seguir a la tercera pantalla contestant que NO.

Pantalla 3 En aquest punt hem de prendre algunes decisions importants sobre la configuració del pont. En la finestra (A) tenim l’opció d’escollir l’elevació de la coberta del pont (Deck Elevation) sobre el nivell del riu. Si escollim 0 metres, aconseguirem que la longitud del pont sigui la més curta possible.

En la configuració dels suports (support configuration) del requadre (B), escull el suport amb estreps normals (standard abutments) en els extrems. Així també farem l’elecció en (C) , sense pilars (No pier) al mig, perquè el tauler no hagi de tenir un suport al mig.

Observa, que el cost es pot veure en (D). En aquest exemple té un cost total de 120.000,00 dòlars, que inclou despeses de la coberta, la construcció d’estreps i l’excavació, però no l’entramat d’acer que encara no hem dissenyat. Si vols saber d’on surt aquest import, pots pitjar (E) i veuràs l’especejament del qual costa cada operació.

Orientacions pel disseny:

El cost del pont inclou el cost del lloc i el cost de l’estructura metàl·lica, que es calcularà quan la dissenyis. En general, les configuracions que fan augmentar el cost del lloc tendeixen a reduir el cost de l’estructura i al revés. Per exemple, una elevació menor del taulell del pont incrementa quasi sempre el cost del lloc perquè necessita una excavació més gran, però també redueix el cost de l’estructura perquè escurça la longitud del pont. Has d’intentar sempre de trobar el millor equilibri entre aquestes despeses contradictòries. Per més informació per tal de saber com seleccionar la configuració d’un lloc prem la tecla de Help.

Pantalla 4. Escollim la magnitud de càrregues que ha de suportar el pont.

Per un costat, escollirem en (A) el material amb el qual construirem el taulell de la carretera. Tenim dues opcions, utilitzar un taulell de formigó de resistència mitja (Medium-Strength Concrete) de 23 cm de gruix o un taulell de formigó d’alta resistència (High-Strength Concrete), amb un gruix de 15 centímetres.

També decidirem en (B) si pel pont han de passar dos camions estàndards, de 180 Kilonewton cadascú, per una carretera de dos sentits, o pel contrari, només permetrem el pas d’un únic camió, de fins a 660 Kilonewton, pel centre del pont.

Orientacions pel disseny:

 El formigó de resistència mitjana és relativament econòmic, però el taulell fet amb aquest formigó ha de ser més gruixut, el que fa que s’afegeixi més càrrega al pont. Aquesta càrrega més gran farà augmentar el cost de l’estructura metàl·lica per a suportar-lo. El formigó d’alta resistència és més car, però a causa de la seva major resistència, el taulell del pont pot ser més prim i més lleuger. Al reduir el pes del taulell, disminuirà el cost de l’estructura.

Pantalla 5. Ara escollirem en (A) una plantilla normalitzada que ens guiï en la creació de l’estructura del nostre pont. Podem no escollir-ne cap, i fer-la nosaltres des de zero, però això millor ho farem quan tinguem més experiència. De les plantilles possibles, n’hi ha tres on l’entramat del pont serà per damunt de la carretera, i tres on l’entramat serà per sota.

Pantalla 6. Aquesta és l’última pantalla, on només posarem el nostre nom a la casella on posa ‘Dissenyat per’

Pantalla 7. En aquesta pantalla ja tenim les instruccions per començar a fer el nostre pont. Ho llegim i cliquem a Finish.

Per dissenyar el teu pont:

1. Clica el botó Finish per activar el teu dibuix.

 2. Dibuixa els nusos o unions de l’estructura.

3. Dibuixa els elements o barres que componen l’estructura.

4. Executa la prova de càrrega per comprovar la resistència del teu disseny.

5. Reforça qualsevol element que hagi fallat durant la prova de càrrega.

6. Optimitza el cost del disseny per reduir la despesa.

Orientacions pel disseny:

Quan facis clic al botó finalitzar, l’assistent de disseny crearà automàticament els sis primers nusos o unions del teu model estructural. D’acord amb les especificacions del disseny, el tauler del viaducte ha d’estar suportat per una sèrie de nusos separats per intervals de 4 metres. Aquest taulell de 20 metres requerirà 6 nusos per suportar tot el pes. Aquests 6 nusos no es poden esborrar.

El tauler de dibuix:

En començar el disseny del pont ens trobem amb el tauler de dibuix i totes les seves eines. El pont està parcialment dibuixat amb línies de color gris i els 6 nodes també estaran dibuixats.

Una barra d’eines flotant, té tots els elements necessaris per dibuixar l’estructura.

El Cercle seran nusos, la Línia seran els elements o barres, la Fletxa és per seleccionar i la goma del llapis és la goma d’esborrar els elements o el que tinguem seleccionat prèviament.

Posant nusos:

Escollim l’eina dels Nusos en la barra d’eines de disseny per crear nous nusos en els llocs suggerits en la plantilla. Amb l’eina Nus es visualitzen dos eixos perpendiculars, en color vermell, que ens ajudaran a posar el nus al seu lloc correcte.

Creant elements

En escollir l’eina dels Elements, el punter del ratolí es converteix en un llapis. Arrossegant el llapis des del centre d’un nus a un altre, es crea una barra o element de l’estructura.

Així, anem connectant tots els nusos de l’estructura fins a completar el pont. En aquest cas és molt fàcil, ja que la plantilla en aquest primer exercici ens indica on hem de posar cada nus i cada element de l’estructura. A mesura que anem afegint elements, es va creant, a la dreta del tauler de dibuix una taula amb les dades de cadascun dels elements: el material del qual estan fets, el tipus de secció, les seves dimensions i les relacions entre els esforços que suporten i el seu límit de ruptura.

Prova de càrrega i optimització del pont

Prova de càrrega:

Al prémer el botó de prova de càrrega (el de més a la dreta) el dibuix es transforma i mostra una imatge en moviment més realista, d’un camió que travessa el pont sobre la vall del riu.

La qüestió és, resistirà el pas del camió?

Els elements que estan en vermell, estan sotmesos a compressió i els blaus a tracció. La intensitat del color indica la quantitat de càrrega que suporten. Si el pont es trenca, els elements mantindran els colors dels esforços que estaven suportant, que en aquest cas han cedit.

Si aconseguim passar el pont, haurà aguantat bé el pas del camió. Això ja és un gran repte aconseguit. Però segurament, que es podrà optimitzar el pont per reduir-ne el cost final.

Com ho farem?

 És molt possible que el disseny del teu primer pont, si has seguit les instruccions del tutorial, hagi resistit i encara estigui bé. Això és així perquè el pont està exageradament dimensionat, i els elements de l’estructura són molt gruixuts i pesats. Ara mirarem d’optimitzar-lo i reduir-ne el cost. El pont actual és massa car.

Mira el cost al tauler, costarà 227000 dòlars.

La segona part del teu treball com a enginyer és reduir despeses.

Com ho aconseguiràs?

- Reduint el gruix del taulell de la carretera per a que no pesi tant.
- Reduint la secció dels elements per no consumir tant de material.
- Utilitzant tubs buits, en lloc de peces massisses per construir elements.
- Utilitzant altres materials per construir els elements.

 Totes aquestes possibilitats estan al teu abast a la barra d’eines, com podràs veure en la següent imatge:

A. Desplegant la finestreta A, pots escollir materials diferents per construir els elements. Acer al Carboni (Carbon Steel); Acer d’elevada resistencia (High-Strength Low-Alloy Steel) i Acer temperat (Quenched & Tempered Steel). A l’utilitzar acers de més qualitat podràs reduir el gruix de les peces, i per tant, el seu pes, però també seran una mica més cares.

B. Desplegant la finestra B, pots escollir diferents seccions dels elements. Barres massisses (solid bar) o tubs buits (Hollow tube). Les barres massisses pesen molt en comparació amb els tubs. Per altra banda, un tub buit per poder suportar un esforç comparable al d’una peça massissa, haurà de tenir un tamany més gran.

 C. A la finestra C pots escollir el tamany de la secció recta de l’element, que pot ser molt variable. Com més secció, més resistent a esforços, però també més pes i més cost del pont.

D. Clicant en els botons que hi ha a D, pots pujar o baixar el tamany de l’element al següent valor de la llista.

Reforçar elements que han fallat

Quan un pont col·lapsa, l’element o elements que s’han trencat apareixeran ressaltats en color, tant en la imatge simulada del pont com en el pla del taulell de dibuix. Aleshores pots conèixer quin element has de reforçar.

Pots fer diferents intents, augmentar el tamany de l’element, que farà pujar el pes, canviar la forma, el que farà que hagis d’augmentar el tamany per tenir la mateixa resistència o escollir un altre material, el que influirà també en les despeses.

Com pots modificar un element:

1. Selecciona l’element, fent clic sobre l’element amb el ratolí. El seu color canviarà a blau turquesa, indicant que l’has seleccionat.

2. Fes clic dret sobre l’element seleccionat i obtindràs un menú contextual que et permetrà modificar els seus paràmetres.

Tens diferents botons que et permeten augmentar el tamany de l’element fins el següent valor de la llista o disminuir el tamany fins el valor anterior de la llista. Si vols assignar-li tu mateix un valor en particular, només has de desplegar la llista de valors (member size) i clicar en el valor escollit.

Un cop modificat l’element, pots tornar a passar la prova de càrrega. Tants cops com vulguis, fins aconseguir que el pont aguanti i sigui el més econòmic possible.

Modificar elements a la vegada.

Si vols, pots aplicar una modificació sobre diversos elements a la vegada.

Per exemple, per canviar tots els elements que estan treballant en compressió per a que tinguin una secció de tub buida, una forma estructural que suporta grans esforços amb poc material i per fer més gruixut un grup d’elements de cop. Per seleccionar tots aquests elements has de mantenir clicada la tecla Ctrl mentre vas fent clic sobre els elements escollits.

Veuràs que els elements seleccionats queden ressaltats en color blau turquesa i una etiqueta indica el lloc que ocupa cada element a la taula de dades.

A continuació, des del menú contextual pots escollir el paràmetre o paràmetres que vulguis canviar. Si observes que la finestra d’algun dels paràmetres apareix en blanc, vol dir que els elements escollits tenen diferent valor per aquest paràmetre. En la figura següent pots veure que els elements escollits estan fabricats amb diferent material i tenen diferent tamany.

No perdis mai de vista la casella del cost del pont. Recorda que l’objectiu de fer aquestes accions és l’optimització. El pont ha de ser eficaç per suportar càrregues, ha de ser segur si hi ha sobrecàrregues, i el més econòmic possible.

Analitzar les dades de la prova.

Si vols millorar el pont, una cosa que faria un professional seria analitzar les dades de la prova. Ja saps que si vas afegint elements per construir el pont, es va creant una taula de dades de cada element. Aquesta taula està disponible a la dreta del teu dibuix i pots veure-la arrossegant la línia divisòria. El seu aspecte seria així:

Com pots veure, la taula conté els paràmetres de cada peça: tipus de material, tipus de secció, tamany de la secció recta i longitud. En aquesta taula d’exemple es veu que hi ha seleccionades les peces 2,4,5,10 i 15, que apareixen en color blau. Per la taula es pot veure que la peça número 6, per exemple, és d’acer d’alta resistència (HSS) amb secció de tub buida (tube) de 150mm d’ample i 4 metres de llarg.

També hi ha dues columnes molt interessants, en les que pots veure una dada important de la prova de càrrega. La relació existent entre l’esforç de compressió o tracció que ha sofert (Compression Force o Tension Force) i la seva resistència a la ruptura (Strength). La peça número 2, per exemple, ha sofert una tracció que és només el 20% de la seva resistència, perquè la relació entre l’esforç i el seu límit de ruptura és 0.20.

Sabem que no ha treballat a una compressió en cap moment de la prova, perquè la relació entre l’esforç de compressió i la seva resistència és 0. Aquesta xifra de la relació entre la càrrega i la seva resistència ens dona una idea molt precisa de la seguretat del pont i de les probabilitats que una peça en particular es trenqui.

Per posar una altre exemple, la peça número 3 ha sofert una compressió equivalent al 93% del seu límit de ruptura. Està massa a prop d’aquest límit i no podria suportar una càrrega lleugerament més gran a la prevista. Hauríem de procurar fer servir una peça que suporti una relació entre la càrrega i el límit de ruptura superior al 67%, el que equivaldria a tenir un marge de seguretat del 1,5