Diseño de una aplicación informática, con soporte CAD, para cálculo de uniones en estructura metálica

Titulación: INGENIERÍA INDUSTRIAL Alumno: RICARDO PERALTA PÉREZ Título PFC: Diseño de una aplicación informática, con soporte CAD, para cálculo de uniones en estructura metálica. Director del PFC: DAVID VIVES GENÉ Convocatoria de entrega del PFC: CUATRIMESTRE OTOÑO Contenido de este volumen: Memoria 2 Índice 1 Objeto ................................................................................................ 4 2 Justificación del proyecto ................................................................... 5 3 Alcance del proyecto .......................................................................... 6 4 Otros programas del mercado ............................................................ 9 5 Proceso de creación del proyecto .................................................... 12 5.1 Definición del proyecto ................................................................. 12 5.2 Elección del lenguaje de programación ........................................ 12 5.3 Adquisición de conocimientos sobre programación en Visual Basic.Net 13 5.4 Adquisición de conocimientos sobre programación en Visual Basic.NET enfocada hacia AutoCAD. ............................................................ 13 5.5 Adquisición de conocimientos necesarios sobre estructuras metálicas 14 5.6 Programación del cálculo matemático .......................................... 15 5.7 Programación de la interfaz de usuario......................................... 16 5.8 Programación de la parte gráfica para resultados ......................... 17 5.9 Pruebas del programa y solución de errores................................ 18 5.10 Generación de ejemplos ........................................................... 18 5.11 Generación del manual de usuario ............................................ 19 5.12 Redacción de la memoria.......................................................... 19 6 Software necesario .......................................................................... 21 6.1 Software necesario para el usuario ............................................... 21 6.2 Software necesario para el desarrollo de la aplicación ................. 21 3 7 Resumen del presupuesto ............................................................... 22 8 Impacto ambiental ............................................................................ 23 9 Bibliografía ....................................................................................... 24 9.1 Libros y documentos..................................................................... 24 9.2 Páginas web ................................................................................. 24 9.3 Normativa ..................................................................................... 24 10 Agradecimientos .............................................................................. 25 4 1 Objeto Este proyecto tiene como objeto la realización de un programa informático capaz de realizar el cálculo de distintos tipos de uniones metálicas dadas. Dicho programa no se realiza con el fin del cálculo de uniones en sí mismo sino cómo herramienta educativa que facilite el aprendizaje y la comprensión de los tipos de uniones que incluye. El objetivo es dar al usuario una idea de los principales parámetros que se pueden variar a la hora de dimensionar una unión y cómo estos pueden variar la resistencia de la misma frente a diferentes acciones. Para ello se dará a elegir entre una serie de uniones que ejemplifiquen los diferentes tipos de esfuerzos que se pueden dar en una unión. En la documentación escrita adjunta se entregará también al usuario un manual de utilización del programa, que será lo mas intuitivo posible, ejemplos resueltos para la completa comprensión del funcionamiento y toda la base de cálculo utilizada internamente por el programa así como indicaciones sobre cómo optimizar las uniones calculadas de manera que mediante la correcta utilización de todo el material se alcance un conocimiento más profundo sobre el funcionamiento de la transmisión de esfuerzos en las uniones. El resultado del cálculo del programa se entregará al usuario mediante tablas impresas directamente sobre la ventana de AutoCAD y un croquis a escala en el que se podrá ver el aspecto de la geometría descrita. Además, se informará al usuario sobre si la geometría cumple o no la normativa vigente y en caso de que no, se informará de cuál es el problema para poder solucionarlo. 5 2 Justificación del proyecto Este proyecto nace para dar una solución interactiva y comprensiva al estudio de las uniones metálicas. Es posible que durante la realización de la carrera un estudiante de ingeniería industrial, especialmente en la intensificación de estructuras y construcciones industriales, haya estudiado en diversas asignaturas el comportamiento de las estructuras metálicas en diversas asignaturas y mediante diversos métodos pero el cálculo de uniones es estudiado de forma más puntual en asignaturas concretas. Mediante el presente proyecto se pretende ofrecer una herramienta capaz de ayudar a la hora de tener un cierto criterio para el diseño de uniones en función de los perfiles a unir y de los esfuerzos que éstas son capaces de soportar. Una gran motivación para la realización de este proyecto fue el hecho de que existe una gran variedad de libros y fuentes de información en las que se pueden adquirir conocimientos sobre el aparato matemático necesario para el dimensionamiento de uniones pero es complicado adquirir el criterio necesario para estimar cálculos. 6 3 Alcance del proyecto En este caso se ha limitado el proyecto a una serie de cinco uniones diferentes que forman un grupo significativo a la hora de calcular los diferentes esfuerzos que se pueden encontrar en una unión de estructura metálica. Los casos tratados en el proyecto son los siguientes: 1. Cálculo de una unión formada por dos perfiles del tipo UPN colocados de forma paralela en forma de perfil de tipo I con una placa o pletina metálica transmitiendo un esfuerzo únicamente axil. Imagen 1 Unión del tipo 1. 2. Cálculo de una unión entre una viga del tipo IPE y un pilar del tipo HEB con transmisión de momento flector y esfuerzo cortante realizado mediante perfiles IPN para la unión de las alas de la viga con el ala del pilar HEB y perfiles en L para la unión del alma de la viga con el ala del pilar. Imagen 2 Unión del tipo 2. 7 3. Cálculo de una unión entre una viga del tipo IPE y un pilar del tipo HEB con transmisión únicamente de esfuerzo cortante realizado mediante perfiles en L para la unión del alma de la viga con el ala del pilar. 4. Cálculo de una unión entre una viga del tipo IPN y un pilar del tipo HEB con transmisión únicamente de esfuerzo cortante realizado mediante perfiles en L para la unión del alma de la viga con el ala del pilar. Imagen 3 Uniones de los tipos 3 y 4. 5. Cálculo de una unión de dos perfiles del tipo IPE consecutivos para cubrir grandes distancias con transmisión de momento flector mediante la unión de las alas y esfuerzo cortante mediante la unión de las almas. Imagen 4 Unión del tipo 5. Se ha limitado el proyecto al estudio de las uniones atornilladas, quedando así fuera las uniones soldadas, las cuales requieren de un aparato de cálculo 8 diferente y que podría ser objeto de un proyecto diferente o de una futura ampliación del presente. Mediante el primer tipo de uniones se puede ver el funcionamiento de uniones a tracción pura. En este caso todos los tornillos soportan la misma tensión. En el segundo caso podemos calcular una unión rígida que es capaz de transmitir esfuerzos y vemos el mecanismo que utiliza para la transmisión de dichos esfuerzos. En el tercer y cuarto caso vemos claramente cómo es capaz de transmitir el esfuerzo cortante una unión articulada y cuál es la forma en la que transmite dicho cortante. Finalmente podemos ver en el quinto tipo de unión un claro ejemplo de solución a un problema en obra cómo es el poder utilizar luces mayores a la longitud máxima de los perfiles utilizados y a su vez vemos también cómo la unión es capaz de transmitir el cortante mediante la unión de sus almas y el flector mediante la unión de sus alas y el sistema para la realización de dichas uniones. 9 4 Otros programas del mercado En el mercado existe una enorme variedad de programas informáticos capaces de dimensionar uniones de estructura metálica. Era evidente en el momento de la idea de realizar este proyecto que el objetivo no sería realizar un programa de dimensionamiento de uniones cómo podría ser CypeCAD. Este tipo de programas informáticos son capaces de dimensionar uniones de perfiles metálicos mediante procesos iterativos complejos y llegando a dimensionar uniones con geometrías diversas y comportamientos diversos con un muy buen nivel de aprovechamiento del material. En el caso del programa objeto de este proyecto era evidente, teniendo en cuenta los recursos disponibles, que el resultado esperado no era el que se pretende con dichos programas y por consiguiente se ha intentado que el resultado del proyecto aporte algo más que un simple resultado numérico. En el caso de los programas de dimensionamiento de estructuras, y concretamente de uniones, el funcionamiento es el siguiente: El usuario debe introducir la geometría de la estructura y las solicitaciones que trabajarán sobre ella. Normalmente el usuario también debe introducir un perfil para cada elemento a partir del cual comenzará el proceso de cálculo iterativo que llevará a una solución final en la cual se da al usuario cómo resultado la geometría propia de la estructura necesaria para soportar las acciones introducidas. Imagen 5 Imagen de una unión en 3D definida por CypeCad. 16 En ésta tabla podemos ver parte de la información que el programa tiene disponible cuando el usuario selecciona simplemente el tipo de perfil IPE que pretende utilizar para el cálculo. Todas las tablas generadas durante este proceso así como las tablas de Excel diseñadas como base para comenzar la programación en Visual Basic.NET se adjuntarán en los anejos del proyecto. 5.7 Programación de la interfaz de usuario Con toda la parte de cálculo programada, era importante realizar una buena interfaz de usuario. Los principales criterios a la hora de realizar dicha interfaz fueron que fuese algo sencillo e intuitivo. El primer paso para establecer una comunicación entre el programa y el usuario fue mediante la línea de comandos de Autocad, sobre la cual se trabajaba. En la primera versión el usuario debía introducir uno por uno en esta línea los valores solicitados mediante órdenes en la misma línea. Este sistema era útil para una primera comunicación con el programa pero quedaba aún muy lejos de ser la interfaz sencilla e intuitiva que se pretendía. Éste fue el motivo por el cual se comenzó el diseño de una interfaz gráfica por medio de ventanas con cuadros de texto, desplegables, indicaciones e imágenes que facilitan la comprensión de los datos solicitados y la introducción por parte del usuario. En este proceso, además del diseño gráfico de las ventanas generadas se realizó una parte del código que controla el correcto funcionamiento de las mismas y que a la vez controla que los datos introducidos en las mismas son del tipo adecuado y están completos y en caso contrario muestra un mensaje de error al usuario explicando el problema. Una vez el usuario ha leído y aceptado el mensaje vuelve a la última ventana utilizada para solucionar el problema. Con todo esto se ha conseguido que la intercomunicación entre usuario y programa sea muy sencilla y a prueba de posibles errores. 17 5.8 Programación de la parte gráfica para resultados Una vez toda la parte matemática del programa está resuelta y la comunicación con el usuario también, es el momento de generar una serie de resultados gráficos como respuesta al problema que calcula el programa. En este caso se utiliza el entorno de AutoCAD. Una vez que el programa ha calculado la solución del problema planteado por el usuario devuelve en el espacio modelo abierto en AutoCad un croquis a escala con la geometría de la unión y una serie de tablas en las que se da al usuario una serie de informaciones. Imagen 6 Librería generada para el dibujo de perfiles IPN Las tablas resultados son tres. La primera de ellas ofrece información sobre cuáles de las dimensiones descritas cumplen y cuáles no cumplen la normativa de disposición geométrica de tornillos en uniones metálicas atornilladas. La segunda contiene información sobre las solicitaciones máximas que es capaz de soportarla geometría descrita. La tercera contiene información sobre la tensión que soporta cada parte de la unión de manera que se facilite al usuario la comprensión sobre cuál es la característica de la unión que limita su capacidad de carga. Se ha estudiado la posibilidad de devolver dichas tablas en un archivo de Excel que se adjuntaría como resultado pero al tratarse de tablas de dimensiones 18 reducidas y adjuntar a la vez el croquis de la unión se ha creído más interesante la incorporación de éstas tablas directamente sobre el espacio modelo de AutoCAD. Para la realización del croquis que acompaña a los resultados se ha creado para el programa una biblioteca de archivos de dibujo en formato .DWG que pueden ser llamados por el programa para generar el dibujo final. 5.9 Pruebas del programa y solución de errores Con todo el programa ya finalizado se han probado todos los casos posibles, comprobando que no se produzca ningún tipo de fallo durante su ejecución debido a un error de programación y que, a su vez, se generen unos resultados correctos así como un croquis con información gráfica adecuada. Durante este proceso se han eliminado todos los errores encontrados en el programa. 5.10 Generación de ejemplos Con el programa ya plenamente operativo se han generado casos de uso del programa para utilizarlos como ejemplo para el usuario y comprobar a la vez el correcto funcionamiento del programa. En este caso se ha generado un ejemplo de cada uno de los tipos de unión que el programa es capaz de calcular. Estos ejemplos se incluyen, explicados paso por paso en el anejo correspondiente al manual del usuario y ejemplos resueltos. Imagen 7 Resultado de un ejemplo resuelto. 19 5.11 Generación del manual de usuario En el anejo correspondiente el proyecto se puede encontrar el manual de usuario realizado para la correcta utilización del programa por parte del usuario así como las indicaciones pertinentes para la instalación del mismo. 5.12 Redacción de la memoria Con todo el proceso de generación del sistema informático finalizado se ha procedido a la redacción de la memoria. Se ha decidido adjuntar en la documentación escrita del trabajo el código de programación en lenguaje Visual Basic.NET así como las tablas utilizadas como base de datos para que el usuario del programa o lector del trabajo pueda comprobar el funcionamiento del mismo. 20 21 6 Software necesario Para la realización de este proyecto se ha necesitado un software específico que se especifica a continuación. 6.1 Software necesario para el usuario Para la utilización del programa el usuario necesita únicamente disponer de Microsoft Office 2007 o posterior y una copia instalada de AutoCAD 2011 para Windows XP 32 bits en su ordenador. Una vez instalado el programa se podrá acceder a él desde la propia línea de comando de autocad mediante el comando “Unionesmetal”. Este comando puede ser cambiado según las preferencias del usuario. 6.2 Software necesario para el desarrollo de la aplicación El principal programa utilizado es el Microsoft Visual Basic 2008 express. Éste ha sido el entorno utilizado para el desarrollo tanto del código cómo de las ventanas gráficas de la interfaz de usuario. En el entorno de Microsoft Visual Basic 2008 express se ha utilizado una plantilla para el uso de Visua Basic.NET en AutoCAD. Ésta plantilla ha sido descargada del sitio web www.vbcad.com en el cual fue adquirido el manual VB.NET for AutoCAD utilizado para el aprendizaje de la programación de Visual Basic.NET aplicada a AutoCAD. Es necesaria también la utilización del programa AutoCAD, de la empresa Autodesk en su versión 2010 o superior. Por otro lado se ha utilizado también el paquete Office de Microsoft, en concreto se ha utilizado Microsoft Office Excel 2007. Por último se ha utilizado la ayuda de un programa instalador que genere un único archivo ejecutable para que el usuario pueda instalar el programa mediante un proceso típico de ventanas de instalación. Este instalador finalmente no se ha utilizado para evitar problemas de compatibilidad con el PC en que se instalará el software. 22 7 Resumen del presupuesto El precio total de las horas de programación utilizadas para el desarrollo de este software representa un total de 20.000€. 23 8 Impacto ambiental Durante la realización de este proyecto únicamente se ha generado un pequeño impacto ambiental debido al consumo eléctrico del ordenador con el cual ha sido realizado. Este impacto es fácil de calcular cómo el producto de horas que se han utilizado por el consumo eléctrico horario del ordenador. Se puede generar una estimación del trabajo realizado en 20 semanas de trabajo, ya que se empezó el proceso de aprendizaje antes del inicio del curso, con una media de 25 horas semanales de utilización de ordenador y por tanto de energía eléctrica. Esto supone un total de 500 horas de trabajo con el ordenador portátil, con un consumo aproximado de 0,11kWh representa un total de 55kWh consumidos en la zona de Barcelona, de manera que con un mix energético de 181 g CO2/kWh tenemos un total de de 9,96kg CO2. 24 9 Bibliografía 9.1 Libros y documentos Estructuras de acero. Uniones y sistemas estructurales. 2ª edición. Ramón Argüelles.2005 Estructuras de acero. Cálculo. 2ª edición. Ramón Argüelles.2005 VisualBasic.NET for AutoCAD 2010. Jerry Winters. 2010 Apuntes de asignaturas de la carrera de Ingeniería Industrial con intensificación en construcción y estructuras. 9.2 Páginas web cypecad.cype.es www.hispacad.com 9.3 Normativa Instrucción de acero estructural Código Técnico de la Edificación 25 10 Agradecimientos Quiero agradecer la ayuda prestada a mi tutor, David Vives, por su seguimiento y supervisión durante todo el proyecto indicando las directrices a seguir para la realización del mismo. También quiero agradecer la ayuda prestada a José Manuel Berral y a Sergio Balaguer por la ayuda prestada en los momentos complicados del aprendizaje de los lenguajes de programación y en especial a mi pareja, Elisabeth Balaguer por el soporte ofrecido durante la realización de todo el proyecto. Sin todos ellos la realización de este proyecto habría sido mucho más complicada y tediosa. Muchas gracias a todos. Terrassa, 10 de Enero de 2013 Ricardo Peralta Pérez