Los últimos 60 años no han visto ningún cambio fundamental en el diseño de cubiertas de puentes para puentes colgantes, mejor conocido en Dinamarca por el Great Belt Link. Para dar cabida a la solicitud de puentes cada vez más largos, la Universidad Técnica de Dinamarca DTUy COWI, estudiaron cómo optimizar estructuras para reducir el peso de la cubierta del puente, en particular aumentando el espacio. Recientemente publicado en la reconocida revista científica Comunicaciones de la naturaleza , los resultados de ese proyecto de investigación indican un gran potencial.
"Aplicamos diferentes métodos para examinar cómo utilizar mejor los materiales, que consisten principalmente en acero y concreto. Inicialmente, buscamos optimizar su uso en estructuras tradicionales mediante el uso de diafragmas transversales en la cubierta del puente, logrando así una reducción de peso teórica dehasta el 14 por ciento ", dice Mads Jacob Baandrup, quien realizó los análisis en relación con su proyecto de doctorado y hoy trabaja como ingeniero en el departamento de puentes de COWI.
Nuevo diseño curvo hace la diferencia
Con el fin de lograr ahorros adicionales, los investigadores analizaron la posibilidad de alterar el diseño estructural. Esto se hizo mediante el uso de la optimización de topología, un método conocido en las industrias automotriz y aeronáutica, que no se había utilizado anteriormente para la construcción a gran escalaestructuras.
"En términos populares, se trata de 'vaciar' una viga del puente de sus elementos existentes, proporcionando total libertad para elegir un nuevo diseño. El volumen interno de la viga del puente se divide en una estructura de vóxeles muy pequeños píxeles 3D, como dados pequeños. El método de optimización de topología se utiliza para determinar si cada vóxel individual debe consistir en aire o material de acero. El resultado es un diseño de viga de puente que utiliza el menor acero posible sin afectar la resistencia de la estructura ", dice AssociateProfesor Niels Aage, DTU Ingeniería Mecánica, uno de los principales científicos del mundo en optimización a gran escala y responsable de los análisis del proyecto.
Específicamente, se analizó un elemento puente de 30 x 5 x 75 metros, dividido en dos mil millones de vóxeles, cada uno no mayor de unos pocos centímetros. El resultado fue un cálculo increíblemente extenso realizado por una supercomputadora, que habría tomado una computadora ordinaria155 años para hacer y es la optimización estructural más grande jamás realizada.
Ahorro de carbono y solución económicamente interesante
El cálculo de la computadora presentó información sobre cómo estructurar mejor el espacio de diseño de la plataforma del puente. Entre otras cosas, eso significaba curvar parte de los diafragmas transversales actualmente rectos, lo que permite afeitar el 28 por ciento del material que se utilizapara cubiertas de puentes y de ese modo lograr una reducción correspondiente de las emisiones de CO2 generadas por la producción y el transporte de hormigón y acero.
"Interpretamos y ajustamos los cálculos para que el resultado se convirtiera en una estructura de viga de puente sugerida con el diseño óptimo que se puede llevar a cabo sin métodos de producción demasiado costosos. El aspecto económico es importante para que el diseño sea una opción realista para el futuro puenteproyectos ", dice Mads Jacob Baandrup.
valioso conocimiento para los puentes colgantes del mañana
Naturalmente, se requerirán análisis adicionales antes de que el nuevo diseño pueda usarse para construir puentes, pero COWI confía en que los resultados del proyecto de investigación agreguen un valioso conocimiento a los puentes colgantes del mañana.
"El nuevo diseño de la viga del puente se puede convertir en una reducción de peso y CO2 de hasta un 20 por ciento para todo el puente, lo que por supuesto beneficia el clima. COWI también participa en una amplia gama de los proyectos de puentes más grandes del mundo,así que un nuevo diseño potencial también beneficiará a nuestros clientes y a la sociedad ", dice el Director Técnico Henrik Polk, COWI, quien participó en la investigación.
DTU también está muy entusiasmado con los resultados.
"Creemos que existen grandes perspectivas para utilizar la optimización de topología para garantizar el diseño sostenible de otras estructuras de edificios grandes, como rascacielos, estadios o puentes de carreteras. Queremos explorar ese campo, y dado que la industria de la construcción representa 39por ciento de las emisiones globales de CO2, casi cualquier reducción puede ser de interés ", dice el profesor Ole Sigmund, DTU Ingeniería Mecánica.
Los cálculos para la optimización de la topología se llevaron a cabo en una supercomputadora PRACE Partnership for Advanced Computing in Europe.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad Técnica de Dinamarca . Original escrito por Anne Kirsten Frederiksen. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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