El uso de entornos informáticos en el ámbito de la ingeniería mecánica ha crecido significativamente en las últimas décadas. La mayoría de las empresas del sector conocen las ventajas de los sistemas de diseño (CAD) e ingeniería (CAE) asistidos por ordenador. Las tareas tradicionales asociadas al proyecto de elementos de máquinas, estructuras y procesos de fabricación se pueden ver muy simplificadas. El mayor partido se obtiene cuando equipos interdisciplinares comparten modelos de manera que proyectistas, analistas y proveedores puedan evaluar diversas alternativas, comprender decisiones de diseño y colaborar para cumplir los requerimientos de funcionalidad, calidad y coste. Esta interacción requiere sistemas de gestión consensuados, entornos multiplataforma y capacidades de almacenamiento y cálculo local y en la nube para aprovechar al máximo su potencial.
Los entornos de simulación ofrecen nuevas capacidades para resolver problemas más complejos. La mayor ventaja del análisis por elementos finitos es que puede manejar ecuaciones acopladas capaces de describir diversos problemas físicos de interés en la industria. A los tradicionales cálculos para determinar trayectorias, tensiones y deformaciones en estructuras, mecanismos y ensamblajes mecánicos, se añaden ahora cálculos de interacción de esos sistemas con los fluidos que les rodean, permitiendo abordar problemas de combustión en calderas de biomasa, de socavamiento en pilas de viaductos o de vibraciones en estructuras esbeltas debidas al desprendimiento de torbellinos.
El uso eficiente de estas herramientas permite a las empresas acelerar la innovación, evaluando en poco tiempo las distintas alternativas de diseño, realizar experimentos sobre los prototipos, conocer el rendimiento real del producto, calibrar el modelo virtual, simularlo ante otras condiciones no ensayadas y proceder a la optimización antes de su salida al mercado. Sin embargo, algunas empresas no son capaces de asimilar todo el potencial de sus inversiones en software, ya que en ocasiones la simulación continúa desconectada de la línea de producción y no se completa el ciclo metodológico comentado anteriormente. Pensando en ellas, en CARTIF ofrecemos servicios tecnológicos de diseño, simulación, prototipado y ensayo, abarcando desde el diseño conceptual hasta la supervisión de su fabricación y rodaje, aplicado a los sectores de automoción, energías renovables, químico, edificación, infraestructuras y maquinaria industrial y agrícola.
En los últimos años, con el abaratamiento de nuevas técnicas instrumentales y el desarrollo de los correspondientes algoritmos computacionales, están apareciendo multitud de trabajos basados en escaneado 3D y fotogrametría tendentes a obtener especificaciones técnicas de sistemas mecánicos o estructurales, las cuales no están disponibles por distintas razones. Aunque en el proceso ingenieril directo lo normal es disponer de los informes técnicos y de los planos del producto previamente a su construcción, la realidad es que las edificaciones antiguas no están documentadas o, si lo están, es bastante habitual que la ejecución de las mismas no se corresponda con lo proyectado. Y aunque así fuera, el paso del tiempo puede haber provocado diferencias en el comportamiento de los materiales por fatiga mecánica o agresiones químicas o haber sufrido daños localizados, asentamientos de los apoyos u otras patologías estructurales comunes.
Con frecuencia, los datos obtenidos se centran en dimensiones geométricas y características superficiales como rugosidad y color. Una de las aplicaciones más claras es la reconstrucción tridimensional de construcciones arquitectónicas, bien de edificación para posibles rehabilitaciones o elaboración de planos informados (BIM) o con fines de archivo del patrimonio histórico o industrial.
Pasarela peatonal estadio balear (Mallorca)
Aun siendo de gran utilidad los datos geométricos adquiridos, en ingeniería estructural no son suficientes y es necesario añadir información sobre las características de los distintos materiales de construcción, las uniones entre los mismos y su posible interacción con los soportes y el terreno.
Afortunadamente, también se están haciendo más accesibles tecnologías que permiten extraer cierta información adicional. En esta entrada se verá cómo mediante sencillos registros de aceleración y algoritmos de identificación y de actualizado computacional, se puede completar la información geométrica y disponer de las especificaciones técnicas necesarias que permitan conocer el comportamiento dinámico de la estructura bajo estudio. Estos procedimientos no requieren ensayos destructivos y, en el supuesto de que estos fueran viables, dichos ensayos no proporcionarían la información buscada a pesar de su mayor coste económico.
En primer lugar, comentar que la captura geométrica realizada, con independencia de su precisión dimensional, hace referencia a un determinado estado de carga sobre la estructura (al menos el debido a las acciones gravitatorias) y corresponde a una determinada temperatura ambiente. Ambas condiciones afectan significativamente en estructuras esbeltas como puentes o torres de tendido eléctrico. Además, en general, estas construcciones experimentan inevitables oscilaciones debidas a acciones ambientales que pueden también afectar a la precisión dimensional registrada.
En segundo lugar es interesante tener en cuenta que en ingeniería estructural y en construcción de obras civiles es usual recurrir a componentes comerciales (perfiles, encofrados, tuberías, farolas) de dimensiones discretas conocidas. Esto habilita la posibilidad de proceder a escalados adaptativos que permiten mejorar la precisión dimensional o su refinamiento local. De esta manera no serían necesarios registros dimensionales exhaustivos y se podría recurrir a sistemas de bajo coste tanto instrumental (cámaras) como de equipos informáticos necesarios para su postprocesado.
Registros de aceleramiento en cuatro puntos
Teniendo en cuenta lo anterior y presuponiendo ciertas habilidades para el modelado computacional en construcciones de este tipo, es posible disponer de un modelo preliminar de la estructura. Sobre este modelo, el método de los elementos finitos permite estimar la deformación incremental debida a ciertas cargas o acciones térmicas y mediante correlaciones adecuadas comenzar a estimar ciertos parámetros internos (densidad efectiva, rigidez, daño, etc.). No obstante la metodología cobra especial importancia cuando se combina la información anterior con datos modales. Para ello lo primero es disponer de los modos propios identificados experimentalmente (mediante análisis modal operacional, post-procesando los registros de aceleración ante cargas ambientales) y posteriormente seleccionar ciertos parámetros del modelo computacional. Ahora se trata de ajustar el valor de dichos parámetros (mediante rutinas de optimización y en función de la sensibilidad de cada parámetro y su rango de valores admisibles) para que casen los modos experimentales con los calculados computacionalmente. En este proceso se deben tener en cuenta no solo las formas modales más representativas sino también sus frecuencias y amortiguamientos modales.
Una vez determinados los valores de dichos parámetros se consigue disponer de un modelo a partir del cual poder no solo generar la correspondiente documentación técnica de la estructura real sino poder estimar su vulnerabilidad ante cargas accidentales, evaluar la vida útil o conocer la efectividad de diversas medidas de conservación, entre otras aplicaciones, entrando en lo que se conoce como re-ingeniería estructural, de cuyas ventajas se podrá hablar próximamente.
