Proyecto Cátedra Arenas: aplicación paramétrica para la automatización de la modelización geométrica y en elementos finitos de tableros de puente tipo cajón

Abstract

El sector de la ingeniería civil está en continua transformación gracias a los avances en tecnología y métodos de trabajo. En el sector del diseño de estructuras, esta innovación está fundamentalmente enfocada a la optimización de procesos, ámbito en el que tiene un importante papel la automatización de las tareas. En este Trabajo de Fin de Máster se desarrolla la creación de una herramienta de trabajo capaz de generar de forma paramétrica el modelo geométrico 3D y de cálculo de un tablero de puente con sección cajón. Este tipo de tableros son ampliamente utilizados en la actualidad para salvar grandes luces, gracias a las ventajas que presenta la sección en cuanto a su comportamiento transversal, su rigidez a torsión y su resistencia ante cargas asimétricas, entre otras. El modelo de cálculo se realiza mediante elementos finitos, puesto que esta metodología garantiza resultados fiables en el cálculo de elementos tridimensionales. Tras un análisis inicial de las diferentes posibilidades, se desarrolla la aplicación mediante el software de programación visual Grasshopper, y posteriormente se exporta al programa de cálculo estructural SOFISTIK. Se realiza una descripción de la aplicación generada, detallando los datos iniciales y el proceso llevado a cabo para la generación de los modelos. Se ha desarrollado una hoja de Excel en la que el usuario debe aportar los valores de los diferentes parámetros, organizados de acuerdo a los pasos a seguir en el modelado. Primero, se genera el modelo geométrico, tras lo que se expone un análisis en profundidad del modelo de cálculo, con cada uno de los aspectos que se han tenido en cuenta en el diseño, como los apoyos, el pretensado, las cargas, y las combinaciones y envolventes. En su objetivo de ser un programa paramétrico y de gran versatilidad para su uso en la práctica profesional, se han incluido diversas posibilidades de geometrías de sección, trazados, tipos de apoyos, geometrías de pretensado y aplicación de cargas. Por último, se ha realizado un ejemplo de uso de la aplicación en el puente que cruza el río Sesuva, en Lituania, proyecto desarrollado por la empresa Arenas & Asociados. Con ello, se ha puesto a prueba la herramienta, obteniendo un resultado satisfactorio de la misma. Este trabajo se considera como un punto de partida en la creación de una aplicación que pueda ser utilizada bajo las exigencias del diseño estructural actual. Además, la modelización del tablero 3D puede servir para un desarrollo futuro de la misma que incluya la posibilidad de la generación automática de ciertos planos, y una implantación de la metodología BIM.

The civil engineering sector is in continuous transformation due to improvements in technology and work methods. In the structural design sector, this innovation is fundamentally focused on process optimization, an area in which task automation plays an important role. In this Master’s Thesis, the development of a program capable of generating the 3D parametric geometrical model and calculation model of a box girder bridge is done. The box girder decks are widely used in large spans bridges, due to the advantages that the section presents transversely, its torsional rigidity and resistance to asymmetric loads, among others. The calculation model is carried out using finite elements, since this methodology guarantees reliable results in three-dimensional elements. After the preliminary analysis of available visual programming software, Grasshopper is chosen to be the most suitable. Consequently, the models are exported to the SOFISTIK structural calculation program. This document describes the program process, detailing the required initial data and the generation of the models. To help in this, an Excel sheet following all the modeling steps has been developed. First, the geometric model is generated, after which a detailed analysis of the calculation model is presented, with each of the aspects that have been taken into account in the design, such as supports, prestressing, loads, and combinations and envelopes. In its objective of being a parametric and highly versatile program for professional practice, several possibilities of section geometries, layouts, types of supports, prestressing geometries and load applications have been included. Finally, the program has been tested by the creation of the geometric and calculation model of the bridge that crosses the Sesuva river, in Lithuania, developed by Arenas & Asociados. Considering the performed calculations, a satisfactory result has been obtained. The work developed is considered as a starting point in the creation of an application that can be used in the structural design performed nowadays. Furthermore, the modeling of the 3D deck can be the initial step for a future development that includes the automatic generation of structural drawings, and the implementation of BIM methodology