Logotipo WPBDLos simuladores de estructuras resistentes son habituales en la industria de la construcción y las obras públicas. Permiten calcular todos los parámetros de una estructura, someterla a pruebas de carga e, incluso, calcular su coste.

Afortunadamente, existe un simulador estructural gratuito, perfectamente adaptado a la enseñanza de estos contenidos en la enseñanza secundaria. Se trata de WPBD (West Point Bridge Designer), un programa creado en la academia militar de los Estados Unidos como introducción a la ingeniería para alumnos de secundaria. Con este programa, la academia organiza anualmente un concurso de diseño de puentes.

El programa puede descargarse gratuitamente desde este enlace la web de la USMA (United States Military Academy) en West Point. Una vez descargado, se instala como es habitual en Windows. A continuación sigue una traducción, libre e ilustrada por mi, de las instrucciones que aparecen en inglés en su web para usar el programa.

Introducción al diseño de estructuras con WPBD

El programa de diseño de puentes WPBD (West Point Bridge Designer) te introducirá en los trabajos de ingeniería a través de una experiencia práctica de diseño. Este programa te proporcionará las herramientas necesarias para modelar, probar y optimizar un puente para carretera de acero, basado en especificaciones, limitaciones y criterios de prestaciones realistas.

En este ejercicio guiado, utilizaremos el programa WPBD para diseñar un puente de acero entramado.

Una vez que el software está instalado, pincharemos en Inicio > Programas > West Point Bridge Designer 2007 para arrancar el programa. Al principio, el programa nos ofrece el “truco del día“, que leeremos con atención para ir conociendo sus características. A continuación hacemos clic en Cerrar (Close).

Truco del dia

Tras cerrar el truco del día, se abre la pantalla de bienvenida, en la que podemos elegir empezar el diseño de un nuevo puente (Create a New Bridge), cargar el diseño de un puente de muestra (Load a Sample Bridge) o abrir el archivo de un puente (Open an Existing Bridge File) que ya está guardado en nuestro disco duro.

Pantalla de bienvenida

Elegimos Crear un Nuevo Diseño de Puente y pulsamos en OK. Aparecerá la página del ayudante de diseño.

Primera pantalla

En la primera pantalla, nos explican en qué consiste nuestro trabajo:

Primera pantalla

Requisitos del diseño:

Como Ingeniero de Obras Públicas, que trabaja para el Ministerio de Transportes, eres el responsable del diseñar un puente entramado, para soportar una carretera de dos direcciones a través del valle del río. Tus objetivos son:

  1. Asegurarte de que el puente puede soportar con seguridad su propio peso (incluyendo el peso del tablero de hormigón) además del peso de la carga de un camión normal.
  2. Mantener el coste del proyecto tan bajo como sea posible.

Para leer unas especificaciones de diseño completas pulsa el botón Help de más abajo.

Orientaciones para el diseño:

El programa de diseño de puentes WPBD te ayudará a satisfacer estas exigencias. La elevación de la calzada sobre el rio (que podrás establecer en el paso 3) será fijada automáticamente en el tablero de dibujo. WPBD calculará el coste de tu proyecto a medida que lo vas haciendo. WPBD también te proporcionará un ensayo de carga simulado para comprobar la seguridad estructural de tu puente, utilizando el tablero asfaltado y el camión estándar que podrás elegir en el paso 4. Si tu estructura no es lo bastante resistente como para soportar las cargas requeridas, WPBD te mostrará los elementos de la estructura que deben ser reforzados.

Segunda pantalla

En la segunda pantalla, el ayudante de diseño te preguntará si estás participando en algún concurso de diseño. Si así fuera, debes introducir tu código de concursante y pasar a la página 5 porque la configuración del puente y la carga del camión están ya determinadas para el concurso.
Si contestas NO, pasarás a la tercera pantalla, en la que podrás elegir uno de los 392 proyectos de diseño disponibles.

Tercera pantalla

En este punto debemos tomar algunas decisiones importantes sobre la configuración del puente. Y, para que este primer ejercicio sea sencillo, elegiremos la configuración más simple posible.

En la ventana (A) donde se fija la elevación de la cubierta del puente (Deck Elevation) sobre el nivel del río, elige 0 metros. Así conseguiremos que la longitud del puente sea la más corta posible.

Tercer paso

En la configuración de los soportes (Support Configuration) del cuadro (B) elige el apoyo con estribos normales (Standard Abuttments) en los extremos. Asimismo, elegiremos en (C) sin apoyo intermedio (No Pier), para que el tablero salve el vano en un único tramo.

Observa que el coste de emplazamiento (Site Cost) se muestra en (D). El emplazamiento de este ejemplo tiene un coste total de 120.000,00 dólares, que incluye los gastos de la cubierta, la construcción de los estribos y la excavación, pero no el entramado de acero que aún no hemos diseñado. Si quieres saber de dónde sale este importe, puedes pulsar en (E) y verás el desglose de lo que cuesta cada operación.

Orientaciones para el diseño:

El coste total del puente incluye el coste de emplazamiento más el coste de la estructura metálica, que será calculado cuando la diseñes.

En general, las configuraciones que incrementan el coste de emplazamiento tienden a reducir el coste de la estructura y viceversa. Por ejemplo, una elevación menor del tablero del puente incrementa casi siempre el coste de emplazamiento porque necesita una mayor excavación, pero también reduce el coste de la estructura porque acorta la longitud del vano. Trata siempre de encontrar el mejor equilibrio entre estos dos costes contradictorios.

Para más información sobre cómo seleccionar la configuración de un emplazamiento pulsa la tecla de Ayuda (Help).

Cuarto paso

En la cuarta pantalla elegimos la magnitud de las cargas que debe soportar el puente.

Cuarto paso

Por un lado, elegiremos en (A) el material con el que vamos a construir el tablero de la calzada. Tenemos dos opciones: utilizaremos un tablero de hormigón de resistencia media (Medium-Strength Concrete) de 23 cm de espesor o un tablero de hormigón de alta resistencia (High-Strength Concrete), con un espesor de 15 centímetros.

Por otro lado, decidiremos en (B) si por el puente van a pasar dos camiones normales, de 180 Kilonewton cada uno, por una calzada de dos vías, o si por el contrario, sólo permitiremos el paso de un único camión, de hasta 660 Kilonewton, por el centro del puente.

Orientaciones para el diseño:

El hormigón de resistencia media es relativamente barato, pero el tablero hecho con este hormigón ha de ser más grueso, lo que añade más carga al puente. Esa carga mayor tenderá a aumentar el coste de la estructura metálica para soportarlo.

El hormigón de alta resistencia es más caro, pero a causa de su mayor resistencia, el tablero del puente puede ser más delgado y más ligero. Al reducir el peso del tablero tiende a disminuir el coste de la estructura.

Quinto paso

Ahora vamos a elegir en (A) una plantilla de entramado normalizada (Standard Truss Template) que nos guíe en la creación de la estructura de nuestro puente.

Quinto paso

El uso de plantillas es opcional, pero al ser el primer ejercicio de diseño con WPBD vamos a aprovechar esta herramienta. Cuando tengamos más experiencia en el diseño de puentes ya lo haremos sin plantilla. Escogemos, por ejemplo, el modelo de entramado de Howe (Howe Trough Truss) y pulsamos Next.

Orientaciones para el diseño:

Una plantilla es un diagrama que muestra una configuración normalizada de entramado. Si seleccionas una plantilla, se mostrará con líneas de trazos de color gris claro en tu tablero de dibujo. La plantilla te indicará dónde debes dibujar las uniones y los elementos de la estructura para que estés seguro de que tu diseño de puente es estable.

Un entramado estable está compuesto por triángulos conectados entre si. Un entramado inestable no puede soportar ninguna carga.

Últimos pasos

Finalmente, antes de empezar a diseñar nuestro puente rellenaremos la casilla con nuestro nombre de ingeniero y un código o clave para diferenciar este proyecto de otros:

Nombre del ingeniero y código de proyecto

Tras pulsar en Next obtenemos la pantalla final, con instrucciones para abordar el diseño del puente:

Pantalla final

Para diseñar la estructura:

  1. Pulsa el botón Terminar (Finish) para activar el tablero de dibujo.
  2. Dibuja los nodos o uniones de la estructura.
  3. Dibuja los elementos o barras que componen la estructura.
  4. Ejecuta la prueba de carga para comprobar la resistencia de tu diseño.
  5. Refuerza cualquier elemento que haya fallado durante la prueba de carga.
  6. Optimiza el diseño para reducir su coste.

Orientaciones para el diseño:

Cuando hagas clic en el botón Terminar, el Asistente de diseño creará automáticamente los primeros 6 nodos o uniones de tu modelo estructural.

De acuerdo con las especificaciones de diseño, el tablero del viaducto debe ser soportado por una serie de nodos separados en intervalos de 4 metros. Este vano de 20 metros requerirá 6 nodos para soportar el tablero. Esos 6 nodos no se pueden borrar.

El tablero de dibujo

Al empezar el diseño del puente nos encontramos con el tablero de dibujo y todas sus herramientas. El puente está parcialmente dibujado con líneas de trazos en color gris claro y los 6 nodos de debajo del tablero están ya dibujados:

Tablero de dibujo

Una barra de herramientas flotante tiene todos los elementos necesarios para dibujar la estructura: Nodo (para insertar nodos en la estructura), Elemento (para unir dos nodos con una barra), Selección (para seleccionar el elemento que vamos a modificar) y Borrar (para eliminar un nodo o un elemento de la estructura).

Barra de herramientas

Colocando nodos

Elegimos la herramienta Nodo en la barra de herramientas de diseño para crear nuevos nodos en los lugares sugeridos en la plantilla. Con la herramienta Nodo se visualizan dos ejes perpendiculares, en color rojo, que nos ayudarán a situar el nodo en su lugar correcto:

Colocando nodos

Creando elementos

Al elegir la herramienta Elemento, el cursor se convierte en un lápiz. Arrastrando el lápiz desde el centro de un nodo a otro, se crea una barra o elemento de la estructura:

Colocando elementos

De ese modo, vamos conectando todos los nodos de la estructura hasta completar el puente. En este caso es muy fácil, porque la plantilla de este primer ejercicio nos indica dónde hay que poner cada nodo y cada elemento de la estructura entramada.

A medida que vamos añadiendo elementos a la estructura, se va creando, a la derecha del tablero de dibujo, una tabla con los datos de cada uno de los elementos: el material del que están hechos, el tipo de sección, sus dimensiones y las relaciones entre los esfuerzos que soportan y su límite de rotura.

Prueba de carga

Una vez terminado el puente, tras haber completado todos sus nodos y barras, vamos a someter el puente a una prueba de carga con el paso de un camión. Para ello basta con pulsar en el botón de Prueba de Carga (Load Test your Design):

Botón de prueba

Al pulsar el botón de la prueba de carga, el escenario del tablero de dibujo se transforma y muestra una imagen realista del puente sobre el río y la excavación realizada en los márgenes del valle.

Un camión, cuyo peso establecimos al configurar el ejercicio, pasa sobre el puente y se ve perfectamente cómo las piezas del tablero y los elementos de la estructura se deforman al paso del camión. ¿Resistirá la carga del camión?

Si te fijas, los elementos que sufren un esfuerzo de compresión toman un color rojo. Ese color rojo es más intenso cuanto mayor es la compresión que soportan. Si se rompiesen quedarían coloreados en color rojo vivo. Los elementos que trabajan a tracción toman un color azul. Del mismo modo, el azul es más intenso cuanto mayor es la tracción que sufren.

Del mismo modo, si el elemento que se rompe trabaja a tracción quedará coloreado de color azul intenso, tanto en la escena realista como en el tablero de dibujo:

Puente roto

 

Es posible que hayamos pasado la prueba sin problemas. El puente se sostiene y, cuando pasa el camión, soporta la carga con éxito. Pero no hemos terminado: ahora hay que optimizar el diseño del puente para que funcione perfectamente, pero a un coste más reducido.

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