Aquest article ha estat escrit originalment en castellà. L'hem traduït automàticament per a la vostra comoditat. Tot i que hem fet esforços raonables per a aconseguir una traducció precisa, cap traducció automática és perfecta ni tampoc pretén substituir-ne una d'humana. El text original de l'article en castellà podeu veure'l a Módulos convertibles realizados en materiales compuestos

Mòduls convertibles realitzats en materials compostos

Pedro José García Sánchez, Enginyer Industrial / Autors: PJ García Sánchez, P. Pagès, T. Lacorte15/06/2004

Resum

El projecte consisteix a aplicar les diferents possibilitats que ofereixen els materials compostos en el disseny de petits mòduls convertibles i habitables. Aquestes petites estructures desmuntables i reutilitzables segons les necessitats, han de tenir un disseny funcional, coherent i utilitzar materials respectuosos amb el medi ambient. L'estudi abasta la selecció dels components més idonis segons les necessitats i requeriments exigits per cada element de l'estructura. La major part de les peces utilitzades en l'estructura es realitzen mitjançant el procés de pultrusió. Per al càlcul i comprovació de les diferents seccions d'estudi, s'ha utilitzat un programa informàtic de càlcul basat en elements finits.

Paraules clau:

Mòduls convertibles, panell composite sandvitx, resina de polièster, fibra de vidre, perfils pultrusionats, programa informàtic de càlcul.

Introducció:

Inicialment caldria explicar, des d'un principi, les raons per les quals els materials compostos poden utilitzar en la construcció d'estructures o elements estructurals. Els composites són materials lleugers que presenten al seu torn elevades propietats mecàniques si es relacionen amb la seva densitat (propietats mecàniques específiques superiors a les de l'acer), i ofereixen altres avantatges, com per exemple: són resistents a la corrosió, permeten una gran llibertat en el disseny, resistents al xoc ia la corrosió, aïllants tèrmics i elèctrics, suporten perfectament els agents químics, impermeables a l'aigua, no magnètics, resistents al foc, decoratius, pràcticament sense manteniment. Són materials de llarga durada, permeten la autocoloración en el procés de transformació ia més, són reciclables.

A causa de la progressiva utilització de perfils estructurals reforçats amb fibra de vidre com a elements de construcció de passarel vianants, edificis, etc., Com es pot veure a les següents fotografies (Figura 1).

Figura 1. Aplicacions de perfils pultrusionats en estructures.

L'interès del projecte se centra en el disseny d'una estructura funcional, habitable i de petites dimensions, aplicant diferents materials compostos, segons la part de l'estructura, per poder demostrar la seva aplicació d'acord amb les necessitats que poden

sorgir quan s'utilitzen en el terreny de la construcció, avaluant les seves característiques i contemplant les seves possibles limitacions.

Al seu torn, aquestes estructures poden oferir diferents aplicacions, segons les necessitats.

Per exemple, es poden convertir en bars de temporada situats propers a les platges, en punts d'assistència de la "Creu Roja", en estacions meteorològiques, a "bungalows" de càmpings, etc. Tenint com a gran avantatge que quan aquestes estructures deixen de ser usades (per exemple, fi del períod'estival), es poden desmuntar i deixen d'ocupar un espai "mort" en carrers o altres llocs.

Solució adoptada:

L'estructura de base quadrada, té unes dimensions de 4 x 4 metres i una alçada de 2,8 metres i una superfície útil d'uns 15 m2 (Figura 3).

Les necessitats que s'han d'implementar en el disseny d'aquesta estructura són:

Estructura d'utilització senzilla, desmuntable i de bones condicions d'habitabilitat.
Eliminació de les possibles barreres arquitectòniques.
Resistència a la corrosió, raigs ultraviolats (UV).
Garantir una durabilitat mínima de 15 anys.
Produir un mínim impacte amb l'entorn.
Respectar el medi ambient.
Estabilitat estructural.

La majoria dels materials utilitzats en l'estructura són transformats per pultrusió. La característica principal dels productes pultrusionats rau en la possibilitat de canviar la formulació de la resina, el contingut de fibra i els tipus de reforç, mantenint la mateixa secció transversal del perfil per a satisfer les demandes dels clients.

A la Figura 3, es pot observar l'estructura dissenyada.

Figura 3. Solució adoptada.

Materials Utilitzats:

S'han utilitzat una combinació de diferents materials, segons les necessitats constructives dels elements de l'estructura.

Per als elements pultrusionats s'utilitza resina de polièster reforçada amb fibra de vidre I en formats roving alternada amb mats de fils continus. Aquesta combinació és molt adequada pel que fa a prestacions mecàniques i economia del producte.

A la Figura 4, es pot veure un esquema de les diferents parts de l'estructura.

Figura 4: Esquema de les parts de l'estructura dissenyada

Sòl:

S'han utilitzat panells pultrusionats de polièster reforçat amb fibra de vidre E (PRFV) de secció buida o buida, això permet optimitzar la relació pes / inèrcia.

Un exemple d'aquests panells es pot veure les següents fotografies:

Parets:

Per als tancaments verticals s'han utilitzat panells sandvitx composite formats per un nucli d'escuma de poliuretà, i amb cares exteriors formades per resina de polièster reforçada amb fibra de vidre. Aquests panells ofereixen diversos avantatges, des de: la seva gran resistència als esforços, passant per la seva lleugeresa o la seva resistència química i als UV Els panells sandvitx que van encastades en les seves vores per perfils pultrusionats, amurats a les columnes.

Coberta:

Per a la coberta a dues aigües, s'utilitzaran plaques pultrusió i en els laterals es laran dues plaques realitzades en policarbonat per permetre la llum natural dins de l'estructura gràcies al sostre escorredor.

Finestra i Porta:

S'utilitzarà fusteria realitzada en PRFV.

Rampa d'accés:

Es construirà amb un nucli d'escuma rígida de poliuretà, amb capes exteriors realitzades en PRFV. El seu pendent serà menor d'un 12%.

Sostre:

El sostre serà escorredor, format per un conjunt de panells sandvitx fabricats amb fibra de polièster i amb nucli de poliuretà.

Estructura:

S'utilitzaran perfils estructurals pultrusionats de diferent secció, de manera que compleixin amb els requeriments exigits i ofereixin un acabat estètic.
Figura 8. Exemples de perfils pultrusionats.
Transformació dels elements constructius:
La pultrusió és un procés productiu automatitzat per a la producció en continu de perfils amb seccions constants en material "composite".

Part experimental:

El càlcul de materials compostos consisteix en l'estudi de materials no isotròpics, és a dir, que les seves propietats varien segons l'orientació del material. L'estudi d'aquest tipus de materials els tracta en forma de laminats (teoria de plaques laminades), formats a la seva vegada per un conjunt de làmines, cadascuna orientada en angle diferent.
El sistema de disseny amb materials compostos es pot resumir en la Figura 11, on s'observa els passos a seguir. És un procés cíclic, ja que, per exemple, s'ha de tenir en compte la degradació del material, així el procés començaria en el punt A i acabaria, finalment, en aquest mateix punt.

L'estudi realitzat en el projecte, es recolza de manera fonamental en el disseny i càlcul d'una estructura gràcies a l'ús de les eines anomenades CAE (Enginyeria Assistida per ordinador). Aquestes eines permeten la simulació del comportament d'un producte en condicions de servei. Gràcies a la simulació podem reproduir el comportament real d'un sistema, en aquest cas de l'estructura, enfront dels requeriments físics queimpone la realitat. Tot això, gràcies a l'aplicació de les teories d'elements finits (FEM) sota suports informàtics.

Les fases de l'anàlisi mitjançant elements finits són:

Identificar el problema, geometria i propietats dels materials.
Definir la geometria del model.
Mallat del model amb elements finits.
Aplicar condicions de contorn al model.
Aplicar càrregues.
Definir les propietats dels materials.
Sotmetre al model a l'anàlisi corresponent.
Representar, interpretar i finalment, avaluar gràfica i numèricament els resultats de l'anàlisi.
Modificar el model si fos necessari, i repetir l'anàlisi.

La simulació permet predir els errors del projecte en etapes inicials, com a conseqüència directa, el grau d'incertesa d'aquest baixa automàticament.

L'evolució dels models numèrics (FEM), però sobretot l'augment de prestacions dels equips informàtics, permet assegurar que la simulació calculada és pràcticament coincident amb la realitat.

Per poder realitzar un estudi més precís i detallat s'ha estudiat discretitzar l'estructura en diversos models de càlcul. D'aquesta forma s'aprofita de manera òptima els recursos del programari utilitzat i es guanya en temps en el disseny i càlcul.

El procés de treball amb CAE per al disseny, càlcul i comprovació de l'estructura, consisteix en partir d'una informació inicial, normalment gràfica, que no és més que el disseny inicial de l'estructura. Aquesta informació gràfica es simplifica i rep el nom de Model de Càlcul, per exemple, la Figura 12. Per realitzar una anàlisi detallada de l'estructura d'estudi, per mitjà de les teories d'elements finits, el model d'estudi ha de simular el problema real, i alhora sintetitzar el problema (eliminar detalls sense importància).

Una vegada obtingut el model de càlcul (en el cas que ens ocupa dels models de càlcul), aquest passa a l'etapa de mallat del model, on es discretitza la geometria del model en parts elementals.

Un cop discretitzada el model, s'introdueixen les propietats dels materials utilitzats i les condicions de contorn que imperen en la realitat i amb tot això passem a l'etapa de càlcul del model (processament del model) a través de les teories d'elements finits.

Figura 12: discretitzat Model de Càlcul del sòl.

Finalitzat aquest procés de càlcul, s'extreuen els resultats (Tensions, Deformacions, Desplaçaments, etc.), Que han d'analitzar perquè successives aproximacions arribem a la solució òptima en quant a necessitats geomètriques, materials utilitzats (% matriu,% reforços, tipologia i disposició del reforç, gruixos, etc).

Per a realitzar una anàlisi detallada de l'estructura d'estudi, per mitjà de les teories d'elements finits, s'ha de modelitzar l'estructura en un model de càlcul. Aquest model ha de simular el problema real i alhora sintetitzar el problema (eliminar detalls sense importància).

Les Figures 13, 14, 15, 16, 17 i 18 presenten, com a exemples, algunes representacions de diferents elements de l'estructura (sòl, secció sòl, rampa, placa de la coberta, paret).

Figura 13. Esforços en el model de càlcul del sòl.

Figura 14. Desplaçaments en el model del sòl.

Figura 15. Desplaçaments a la secció del sòl.

Figura 16. Tensions en el model de càlcul de la rampa.

Figura 17. Deformacions model de la placa de la coberta.

Figura 18. Desplaçaments en els model càlcul de la paret.

Conclusions:

• 1. La utilització dels materials compostos a la construcció de grans i petites estructures, no només és una cosa fiable i realitzable, sinó que implementa a tot el conjunt del projecte d'una sèrie d'avantatges que fan molt atractiva la seva utilització per a aquests fins.

• 2. Com s'ha pogut veure al llarg d'aquest treball es pot obtenir una estructura funcional, gràcies a la combinació de diferents materials compostos i així adequar-los a les necessitats del disseny. Aquesta facilitat de combinació ajuda a crear dissenys que poden ser atractius.

• 3. Una de les avantatges de l'estructura desmuntable és la seva versatilitat, ja que segons les necessitats, usos i llocs de localització es pot adaptar i convertir en: bars al costat d'una platja, a "bungalows", en llocs d'atenció de la "Creu Roja ", etc.

• 4. Com que el projecte s'ha fragmentat en un estudi de les diferents seccions de l'estructura de forma independent (coberta, panells sandvitx, elements del sòl, etc.), Aquesta divisió en mòduls d'anàlisi de materials, pot permetre que en futurs projectes es puguin contemplar la seva utilització de forma conjunta o individual, depenent del cas, com a solucions constructives a les necessitats dels nous projectistes.

• 5. Els elements constructius bàsics utilitzats, des dels panells sandvitx fins a les peces de resina de polièster reforçades amb fibra de vidre (GFRP), no només són adequats per reemplaçar elements metàl·lics o altres materials més clàssics, sinó que a més, la utilització d'aquests materials permet realitzar diferents elements estructurals, i gràcies a ells es poden utilitzar sistemes constructius més ràpids i senzills.

• 6. El respecte al medi ambient queda garantit pel baix despesa energètica que suposa l'obtenció dels materials utilitzats, i pel mínim manteniment que assegura una durada molt més gran que les estructures tradicionals. Així mateix, el reciclatge resulta senzill i efectiu.

Bibliografia

1. "Els materials Compostos Aplicats en Arquitectura i Construcció." Ed ARQUIMACOM'96, SEVILLA octubre 1996.
2. P. Pagès, G. Andreu, MA Sánchez, 15 ª Jornades de Materials Compostos. Plàstics reforçats. Centre Espanyol de Plàstics, Barcelona, 2000.
3. Cosmos / M Finite Element Basic System. Volums Tècnics, Structural Research and Analysis Corp Los Angeles, CA, 1995.
4. "Materials Compostos." Derek Hull. Ed Reverte SA, 1987.
5. "Càlcul i disseny d'estructures de materials compostos de fibra de vidre." Pau Antequera, Lorenzo Jiménez, Antonio Miravete, 1991.
6. "Tecnologia dels composites / plàstics reforçats" Michaeli / Wegener / Capella, 1992
7. "Els nous materials en la construcció." A. Miravete, 1988.
8. "Els Plàstics en la construcció." H. Saechtling, 1889.