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Informe 1 Introducción a la Ingeniería...

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Universidad de Chile Facultad de Ciencias Físicas y Matemáticas Escuela de Ingeniería y Ciencias EI1101-5 Introducción a la Ingeniería I

INFORME PROYECTO 1

CONSTRUCCIÓN TORRE DE COBRE

Integrantes: Pablo Apablaza. Paula Cerda. Ariel Flores. Javier Muñoz. Felipe Rojas. Número de Grupo: 1 Sección: 05 Profesor: Horacio Buldrini. Auxiliar: Pedro Quintana. Ayudante: Juan Timana. Fecha de entrega: 02-05-2017

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RESUMEN Con tal de potenciar las habilidades de trabajo en equipo y planificación dentro de proyectos de ingeniería, y en base a la iniciativa CDIO, en del ramo “Introducción a la Ingeniería I” es llevado a cabo el proyecto N°1 que consiste en la construcción de una torre de cobre a escala, simulando una problemática real de la necesidad de una estructura que soporte una materia prima para fumigación a orillas de un rio. Dadas las limitaciones técnicas (no tiene sentido poner a alumnos de primer semestre a construir una torre de gran envergadura), son construidos dos prototipos a escala que deben cumplir con requisitos específicos delimitados al inicio del proyecto. Con esto no solo se busca llegar a una solución óptima, sino que también fortalecer las capacidades de trabajo en equipo y de planificación por parte de los integrantes del grupo. El desarrollo del proyecto se divide en la construcción de dos prototipos, con tiempos acotados a 2 horas para el primero y 4 horas (de clases) para el segundo. Tras la planificación y construcción se realizan pruebas de soporte por parte de las estructuras, en ambas pruebas las estructuras construidas son capaces de soportar lo solicitado. En general se pueden extraer conclusiones positivas respecto a la experiencia en general ya que se superan las pruebas realizadas, pero aun así hay falencias que son necesarias trabajar para el desarrollo de proyectos futuros. A través de este documento se busca dar a conocer todo el proceso realizado, desde el nacimiento de las primeras ideas en el prototipo N°1 hasta las pruebas finales realizadas en el prototipo N°2, pasando por detalles más generales relacionados al trabajo en equipo o técnicos respecto a la construcción de las estructuras.

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ÍNDICE Página(s) 1. Introducción……………………………………………………………………..1 a 3 1.1 Antecedentes……………………………………………………………...…3 2. Desarrollo del Proyecto………………………………………………………4 a 17 2.1 Metodología…………………………………………………………………4 a 8 2.1.1

Prototipo torre N°1…………………………………………………4 - 5

2.1.2

Prototipo torre N°2…………………………………………………6 a 8

2.2 Resultados………………………………………………………………….9 a 14 2.2.1

Prototipo torre N°1………………………………………………...9 a 11

2.2.2

Prototipo torre N°2………………………………………………...11 a 14

2.3 Análisis y discusión………………………………………………………..15 a 17 3. Conclusiones…………………………………………………………………..18 – 19

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LISTA DE TABLAS •

Tabla N°1: Medidas prototipo N°1.

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Tabla N°2: Operación prototipo N°1.

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Tabla N°3: Matriz de Interacción Prototipo N°2.

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Tabla N°4: Medidas prototipo N°1.

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Tabla N°5: Operación prototipo N°1.

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Tabla N°6: Comparación prototipos. LISTA DE FIGURAS

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Figura N°1: Esquema referencial estructura a construir

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Figura N°2: Boceto prototipo N°1

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Figura N°3: Plano digital prototipo N°1

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Figura N°4: Boceto prototipo N°2.

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Figura N°5: Plano digital prototipo N° 2.

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Figura N°6: Fotografía prototipo N°2.

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Figura N°7: Fotografía prototipo N°2 durante pruebas.

Todas las figuras anteriores se pueden encontrar en mayor tamaño en los anexos.

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1. INTRODUCCIÓN La ingeniería tiene por objeto principal el aprovechamiento de recursos y la solución de problemas en beneficio de la sociedad. En general, esta disciplina se sustenta de gran forma en el trabajo en equipo, el cual permite tener una visión más amplia al momento de enfrentar los múltiples desafíos que se presentan continuamente, ya que, diferentes puntos de vista hacen posible generar más ideas y así, mejores soluciones. El desarrollo de proyectos se enmarca en la iniciativa CDIO, la cual ha sido incorporada al ramo, con lo que se pretende dar las primeras nociones sobre la real forma de enfrentar problemas asociados a la ingeniería. Para ello, se entregan una serie de elementos a considerar al momento de comenzar su desarrollo; en general, se basa en cuatro tópicos secuenciales: concebir, diseñar, implementar y operar, a partir de los cuales se genera un aprendizaje activo mediante el trabajo en conjunto. En esa línea, este informe tiene como motivaciones principales el dar a conocer el desarrollo hecho en el “Proyecto N° 1” del ramo “Introducción a la Ingeniería I”. A partir de esto, se quiere entregar un detallado análisis de todo el transcurso de este, desde las planificaciones iniciales hasta el resultado y pruebas finales, incluyendo todo el trabajo en equipo realizado, el cual es una arista vital para poder cumplir los requisitos solicitados. El desarrollo de este proyecto en específico tiene como objetivos y alcances principales el poder comprender los fundamentos del proceso de diseño y sus aplicaciones a la ingeniería, además del uso y de las estrategias de trabajo en equipo para resolver de mejor forma la problemática presentada. A partir de esto, se espera poder fortalecer las capacidades de trabajo en equipo, liderazgo y planificación de los integrantes del grupo, además de potenciar las habilidades intelectuales y manuales de cada uno a través de la creación de soluciones que sean eficaces y posibles dentro del contexto del proyecto. Teniendo en cuenta lo anterior, este informe se estructura de forma que en primer lugar es presentada la metodología de cómo se enfrenta el problema, es decir, toda la planificación, diseño y proceso de construcción, para proseguir con la presentación de resultados obtenidos a partir de las pruebas realizadas sobre el proyecto ya terminado. En base a los resultados se genera un análisis sobre los errores, aciertos, posibles mejoras 1

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y optimizaciones, para terminar con las conclusiones que reflejarán la evaluación final sobre el proyecto en su conjunto y un análisis del cumplimiento de objetivos propuestos, además del desempeño del grupo como equipo de trabajo y las proyecciones en vista de los proyectos futuros. En resumen, se quiere dar a conocer todo el proceso realizado para la concreción del proyecto, desde los bosquejos iniciales hasta los resultados finales, a través de un análisis detallado con tablas comparativas, imágenes y bosquejos que hagan más fácil la comprensión de todas las partes del desarrollo realizado.

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1.1 ANTECEDENTES Para el desarrollo de este primer proyecto, es presentada una problemática real que debe ser resuelta de la mejor forma posible, considerando recursos materiales y humanos, tiempo y otros factores que inciden en su desarrollo; todo esto enmarcado en la idea del ramo de potenciar las habilidades de trabajo en equipo y de planificación al momento de realizar proyectos de cualquier tipo y envergadura. El antecedente principal del problema a solucionar es la necesidad de una estructura que soporte una materia prima para fumigación; dicha estructura se encuentra a orillas del rio Mataquito en la Región del Maule (Chile). Dadas las evidentes limitaciones tanto materiales como humanas, se deben diseñar y construir dos prototipos a escala que deben cumplir con los siguientes requerimientos: a) Deben ser capaces de soportar un balde con 500 gramos a una altura de 30 centímetros. b) Las estructuras se construirán íntegramente con alambre de cobre (Cu) y soldadura de estaño. Además, se debe poner especial atención al uso de material y peso propio de la estructura de forma que se optimicen de la mejor forma posible Gráficamente, la estructura debe tener las siguientes características:

Imagen 1: Esquema referencial estructura a construir

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2. DESARROLLO DEL PROYECTO 2.1 Metodología El proyecto se divide en dos etapas de construcción independientes, donde en ambas se debe diseñar y construir un prototipo de torre. Estos procesos de construcción se diferencian principalmente por el tiempo disponible para su planificación y realización, por lo que se presentarán detalladamente por separado, incluyendo todos los detalles respectivos al proceso completo. 2.1.1

Prototipo torre N°1 - Tiempo disponible: 1 clase en laboratorio (2 horas) - Requisitos específicos: Soporte de 500 gramos de masa y altura de 30 centímetros. - Materiales: 4 metros de alambre de cobre (Cu) forrado y soldadura de estaño. - Herramientas disponibles: Cautín, alicates, cuchillo cartonero, regla, taladro etc. - Elementos de seguridad: Guantes y lentes para protección al momento de soldar.

Para el desarrollo del prototipo N°1 se cuenta únicamente con 2 horas cronometradas de trabajo, en las cuales fue necesario hacer los análisis iniciales sobre la problemática, bosquejos y ejecución del proyecto con tal de cumplir los requisitos específicos planteados. Además, una fracción del tiempo inicial fue utilizada para conocer al equipo de trabajo asignado (aleatoriamente) y así tener un mejor panorama de las tareas que cada uno era capaz de realizar. En general, dado el poco tiempo disponible, la planificación del primer prototipo fue muy acotada por lo que solo hubo una propuesta como solución. Esta consistía en una torre que se asemeja a un mechero de laboratorio, con bases circulares arriba y abajo para que no perdiera estabilidad. Se puede apreciar el boceto de la estructura en la siguiente imagen: (más grande en el Anexo)

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Imagen 2 y 3: Boceto y Plano Torre 1 (*Ver Anexo)

El diseño es una torre de bases circulares arriba y abajo; la cara superior cuenta con una rejilla hecha también de alambre de cobre para el soporte de la estructura. Los pilares de la torre miden 36 centímetros, subdivididos en 30 centímetros para la altura y 6 centímetros para la base y están hechos a partir de dos alambres de la misma longitud trenzados para entregar una mayor estabilidad. Además, la base circular inferior va unida directamente a los pilares de la torre a través de soldaduras. Durante el proceso de construcción e implementación del diseño presentado, se presentaron dificultades principalmente con la distribución de roles y la tarea de realizar las soldaduras, ya que ningún miembro del equipo dominaba la técnica; esto dificultó la construcción debido al tiempo valioso que se perdió realizando pruebas con el cautín y la soldadura. Lo anterior derivó en que el proceso de construcción demorara aproximadamente 10 minutos más del tiempo establecido en la clase para esta etapa (2 horas). Aun así, la construcción pudo ser finalizada y todas las pruebas realizadas en la estructura. Todo el detalle de estas se encuentra en la sección 2.2.1 “Resultados”

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2.1.2

Prototipo torre N°2 - Tiempo disponible: 2 semanas de tiempo total. 2 clases en laboratorio (4 horas) - Requisitos específicos: Soporte de 500 gramos de masa y altura de 30 centímetros, además de poner especial atención al uso de material y el coeficiente Peso soportado/peso propio. - Materiales: 4 metros de alambre de cobre (Cu) forrado y soldadura de estaño. - Herramientas disponibles: Cautín, alicates, cuchillo cartonero, regla, taladro etc. - Elementos de seguridad: Guantes y lentes para protección al momento de soldar.

Las condiciones de desarrollo del prototipo N°2 fueron muy diferentes a las del prototipo N°1, ya que el tiempo disponible para realizar los procesos de planificación y diseño era mayor; se dispuso de una clase completa en laboratorio para el planteamiento de ideas y posibles soluciones a la problemática. Así, la metodología de trabajo realizada fue mucho más secuencial y en concordancia con el “Diamante de diseño” visto en clases. En primer lugar, se analiza la problemática en detalle y los puntos importantes a tener en cuenta, a partir de eso se determina la importancia del peso que pueda soportar la estructura y también del peso propio de esta, relacionado directamente con el uso total de material en la construcción. Teniendo en cuenta los puntos de importancia anteriores, el grupo realiza una lluvia de ideas sobre posibles torres que sean capaces de dar solución a la problemática, esto con el objetivo de tener varias opciones para posteriormente definir a través de un análisis detallado la solución más óptima que se ajuste a los requisitos y limitantes del problema. El grupo define tres posibles estructuras para hacer frente al problema: una torre de tres bases cuadradas, una de tres bases triangulares y una de bases circulares como el prototipo N°1 pero con notables mejorías respecto a la forma y la estabilidad de esta.

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Para realizar el análisis más objetivo posible y que se ajuste realmente a las necesidades del problema, se realiza una matriz de interacción en la cual se incluyen seis categorías ponderadas según importancia para el grupo, en las cuales se evalúa cada idea presentada anteriormente para obtener un promedio según puntajes entregados y así definir objetivamente cual es la solución más adecuada. Habiendo definido el prototipo a construir, se procede a realizar un diseño con alto nivel de detalle en cuando a distribución del material, medidas y la forma en que se realizará la construcción con tal de facilitar posteriormente el proceso manual de soldado y armado de la estructura. Se puede observar el siguiente bosquejo y diseño computarizado:

Imagen 4 y 5: Bosquejo y Diseño Prototipo N°2 (Ver Anexo)

Luego de haber finalizado el diseño, se procedió a la construcción del prototipo. En esta etapa, el trabajo en general fue mucho más expedito, principalmente por el hecho de que todas las planificaciones estaban documentadas y detalladas tanto en la forma de la estructura como en las medidas de cada una de las piezas de la construcción. El haber realizado una planificación detallada al inicio permitió distribuir roles de trabajo para cada miembro del grupo. Así, cada uno con su tarea asignada, ya sea en el corte del

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material o en la soldadura, la realizó de forma correcta, permitiendo finalizar la estructura de forma correcta, con un margen de 30 minutos de sobra por sobre el tiempo límite, lo que permitió realizar ajustes en el peso de la estructura, de manera que se le retiró el forro plástico a cada pieza además de las pruebas de soporte de peso respectivas. Lo anterior derivó en mejoras sustanciales sobre el peso propio de la estructura, pasando de 66 gramos al finalizar la construcción a 55 gramos tras las optimizaciones realizadas. Todos los detalles numéricos de la estructura además de los resultados tras las pruebas de soporte se encuentran en la sección 2.2.1 “Resultados”. En general, la estructura soporta de manera óptima todas las pruebas realizadas en la etapa final, lo que denota la importancia de la planificación en la construcción.

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2.2 Resultados En este apartado se presentarán los resultados cuantitativos y cualitativos de todo el proceso de desarrollo y diseño de ambos prototipos además de las pruebas de operación sobre estos, con tal de analizar el cumplimiento de objetivos planteados al inicio (soporte de 500 gramos y 30 centímetros de altura).

2.2.1

Prototipo torre N°1 • Diseño

Los resultados obtenidos en la etapa de diseño para el prototipo N°1 son bastante escuetos, debido a que el grupo estaba abocado a definir rápidamente una solución para posteriormente ejecutarla debido al limitado tiempo disponible. De esta etapa se puede extraer principalmente el boceto realizado que sirvió como guía para luego construir la estructura: Bosquejo inicial

Plano digital

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• Implementación Durante esta etapa es llevada a cabo la construcción del diseño presentado en el punto anterior, es decir, cómo se lleva a la realidad las planificaciones iniciales. En general, luego de haber definido el modelo a construir, se cortan los alambres según las medidas especificadas en la siguiente tabla, de modo de tener un mejor punto de vista en cuanto a este proceso. TABLA #1: Medidas prototipo N° 1 Medidas

Cantidad

Total por partes

Base Inferior

44 cm perímetro

1

44 cm

Base Superior

38 cm perímetro

1

38 cm

Pilares

36 cm c/u

6

216 cm

Partes rejilla

10 cm c/u

1

10 cm

Partes rejilla

7 cm c/u

4

28 cm

Partes rejilla

5 cm c/u

2

10 cm

TOTAL

346 cm ≈ 3,5 mts

Luego de ello, es llevado a cabo el proceso de las soldaduras, el cual presentó algunas complicaciones debido a la inexperiencia de los integrantes del grupo respecto a este tema, lo que llevó a un retraso de aproximadamente 10 minutos por sobre el tiempo límite. Aun así, el prototipo es finalizado de forma correcta, por lo que se pueden realizar las pruebas técnicas sobre este.

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• Operación A continuación, se presentan todos los resultados cuantitativos respectivos al prototipo N°1

TABLA #2: Operación Prototipo N° 1 Tiempo total de construcción y planificación

2 horas 10 minutos (1 Laboratorio + tiempo extra)

Cantidad de Material utilizado

3,5 metros aprox.

Peso propio de la torre

66 gramos.

Peso soportado

500 gramos.

Cociente Peso Soportado/Peso Propio

7.58

Altura torre

30 centímetros.

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