I CONCURSO DE DISEÑO DE
PUENTES CON K’NEX
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1 Introducción
El objetivo del presente concurso es introducir a alumnos de Bachillerato y 4º de ESO en una de las disciplinas más apasionantes de un Ingeniero Civil: concebir un puente de forma eficiente. De este modo se propone diseñar en equipos un puente a escala reducida mediante el sistema de construcción “K’nex Real bridge building set”.
El concurso que se presenta en este documento está basado en la experiencia adquirida durante el mes de julio de 2014 en los Campus Científicos de verano donde la Escuela de Caminos organizó el curso “Diseño de puentes: forma, materiales e integración ambiental” (https://www.youtube.com/watch?v=Pd21B60GNDs). Como en el curso, lo que se pretende con esta competición, es que los alumnos descubran de una manera amena e intuitiva (sin perder por ello el rigor científico) la cercanía cotidiana de los mecanismos resistentes que rigen el diseño tecnológico de las obras civiles.
1.1 Objetivos específicos del concurso Los objetivos específicos del concurso son:
1. Descubrir los fundamentos de las estructuras en general y los puentes en particular. 2. Introducir a los alumnos de Bachillerato y 4º de ESO en el apasionante mundo de
la Ingeniería Civil y el diseño de puentes. 3. Fomentar el trabajo en equipo.
4. Entrenar la comunicación oral y escrita de los participantes exponiendo sus trabajos en el ámbito universitario.
1.2 Formulación del problema a resolver
Se ha de construir una pasarela a escala reducida que tenga un vano principal lo más
largo, utilizando el menor número de piezas y que soporte el mayor peso posible.
1.3 Requisitos para participar
Este concurso está destinado a alumnos de Bachillerato y 4º de ESO. Los equipos estarán constituidos por un mínimo de dos alumnos y un máximo de cuatro. Además, para entrar en la competición cada equipo deberá estar acompañado por un profesor del instituto o un padre/madre/tutor/familiar de algún integrante del mismo, cuya misión será guiar a los alumnos durante la competición. El tutor, que no será contado como integrante del equipo, podrá guiar más de un equipo.
A cada equipo se le pedirá que firme un formulario en el cual se responsabilizarán del correcto uso del material así como su correspondiente devolución en tiempo y forma.
1.4 Funcionamiento del concurso El concurso está dividido en cuatro fases:
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1. Fase 1: Descubrir los fundamentos estructurales de los puentes. Se trata de una clase teórico-
práctica que se celebrará bien en la Escuela de Caminos o bien en algún instituto cercano. Esta sesión tiene como objetivo facilitar o fomentar la comprensión de los fundamentos estructurales básicos que rigen el comportamiento de algunas tipologías de puentes y los materiales que forman parte de los mismos. Para ello, la sesión teórica irá acompañada de ejemplos prácticos utilizando maquetas.
2. Fase 2: Diseño de la pasarela. La E.T.S.I. de Caminos, Canales y Puertos, cederá
durante 30 días (con fecha a concretar entre el equipo y la dirección del concurso) un set completo del sistema de construcción “K’nex Real bridge building set” con las piezas suficientes para construir el puente.
3. Fase 3: Semifinales: Evaluación de los puentes participantes. Transcurridos los 30 días
dispuestos en la Fase 2, el puente diseñado por cada equipo, competirá en la Escuela de Caminos de Ciudad Real (o en un lugar a convenir) por un puesto en la Fase final según las reglas expuestas en el punto 2.3. Todos los integrantes de los equipos recibirán un diploma que acredite su participación en el concurso.
4. Fase 4: Final: Evaluación de los mejores puentes. Finalmente los integrantes de los
equipos de los mejores puentes, volverán a construir su puente en la E.T.S.I de Caminos, Canales y Puertos de Ciudad Real, donde serán evaluados por un tribunal especializado según los criterios expuestos en el punto 0. El premio al equipo ganador será un iPad para cada miembro del equipo. Los puentes finalistas serán expuestos en la Escuela y/o en la biblioteca pública de Ciudad Real durante el mes de junio de 2015.
2 Descripción de las fases del concurso
En los siguientes apartados se describirá en detalle cada una de las fases del concurso 2.1 Fase 1: Descubrir los fundamentos estructurales de los puentes
En esta fase se realizará una clase teórico práctica que se celebrará en la Escuela de Caminos (o bien en algún lugar a convenir) que servirá a los alumnos para entender los fundamentos estructurales básicos que rigen el comportamiento de los puentes.
Para suscitar la curiosidad (y por tanto el interés) de los alumnos, se combinarán las diapositivas de la clase con maquetas que reproduzcan el concepto introducido en la teoría (tablero, estribos, pilas, reparto de cargas, zapatas, pilotes, pilonos, cables, pretensado, etc.). El uso de estas maquetas permitirá al alumno entender de forma amena el comportamiento resistente de las diferentes tipologías estructurales.
Además, en esta clase se explicarán nociones básicas sobre el comportamiento mecánico de los materiales y su aplicación al diseño de estructuras en general y puentes en particular.
4 2.2 Fase 2: Diseño de la pasarela.
Como se ha dicho anteriormente, la E.T.S.I. de Caminos, Canales y Puertos, cederá durante 30 días (con fecha a concretar entre el equipo y la dirección del concurso) un set completo del sistema de construcción “K’nex Real bridge building set” para el diseño y la construcción del puente con el menor número de puntos-piezas posibles. Para la cesión de este equipo se requerirá la firma de uno de los componentes del grupo haciéndose responsable de devolverlo en forma y fecha. A continuación se explica en detalle las restricciones en el diseño y el coste de dichas piezas.
2.2.1 Restricciones geométricas en el diseño del puente
El objetivo del proyecto es construir una pasarela a escala 1:50 que tenga un vano principal (distancia entre dos apoyos consecutivos) lo más largo posible, con un número de puntos-pieza razonable y que además aguante un mayor número de kilos antes de romperse. Todo sin perder de vista la componente estética de la pasarela. En cualquier caso, la construcción del puente deberá ceñirse a las restricciones expuestas en este apartado. El no cumplimiento de alguna de ellas (sin justificación) será motivo de descalificación. Para cualquier aclaración, dirigirse a los directores del concurso ([email protected] o
[email protected]) Las restricciones son las siguientes:
1. El modelo de pasarela deberá satisfacer las necesidades geométricas descritas a continuación (ver Figura 1)
a. La longitud del vano principal del puente deberá ser la mayor posible (con la restricción de que L1 ha de ser como máximo 180 centimetros (90 metros a escala 1:50), entendiendo como vano principal la distancia máxima entre dos apoyos consecutivos.
b. La anchura del tablero será como mínimo de 6 centímetros (3 metros a escala 1:50).
c. Es necesario dejar en todo momento un gálibo libre de 6x6 cm.
d. El terreno de apoyo se materializará mediante cajas de folios (con algún tipo de peso para que no se muevan) según lo dispuesto en la Figura 1. Como L1, L2 y L3, han de ser definidos por cada equipo, los estribos, pilas o pilonos de la pasarela podrán alejarse lo que cada equipo estime oportuno, con el fin de conseguir el objetivo del concurso.
e. No es necesario utilizar todas las cajas para apoyar el puente.
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2. La línea que define el perfil del tablero del puente deberá ser uniforme y comenzar a la misma cota que las cajas extremas. Es decir, que debe haber continuidad entre las cajas y el tablero, no permitiéndose escalones entre la superficie de ambos. 3. No se permite el diseño de pasarelas levadizas o con partes móviles.
4. Si se opta por pasarelas colgantes o atirantadas, los tirantes han de materializarse con los hilos suministrados.
5. Sólo se permiten piezas procedentes sistema de construcción “K’nex Real bridge
building set” a excepción del posible uso de hilos de 1mm o 2mm de grosor.
6. No se permite el uso de pegamento en el diseño. La cimentación del puente al terreno (cajas) podrá anclarse con la ayuda de tornillos.
2.2.2 Puntuación del coste del material empleado
En la evaluación de la pasarela también se tendrá en cuenta el coste en función de las piezas que se utilicen en su construcción. En la Tabla 1 se muestran los puntos que cuestan cada una de las piezas de K’nex.
Tipo de pieza Color Coste
Barra estructural Verde 2 puntos
Barra estructural Blanca 3 puntos
Barra estructural Azul 6 puntos
Barra estructural Amarilla 9 puntos
Barra estructural Roja 13 puntos
Barra estructural Gris 19 puntos
Conector Naranja 3 puntos
Conector Gris claro 2 puntos
Conector Gris oscuro 4 puntos
Conector Verde 4 puntos
Conector Amarillo 5 puntos
Conector Azul 6 puntos
Superficie del tablero
del puente Negro 60 puntos
Resto de piezas 1 punto
Hilo 1 mm de espesor 1 punto/cm
Hilo 2 mm de espesor 2 puntos/cm
Tornillos de anclaje 2 puntos
Tabla 1. Coste de las piezas permitidas en la construcción del puente
2.3 Fase 3: Semifinales: evaluación de los puentes participantes.
Transcurridos los 30 días dispuestos en la Fase 2, el puente diseñado por cada equipo, competirá en la Escuela de Caminos de Ciudad Real (o en un lugar a convenir) por un
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puesto en la Fase final. Pasará a la final el equipo que más puntos obtenga según los criterios que se exponen a continuación:
1. Puntuación del coste del material utilizado (20% de la puntuación total).
Cada equipo deberá contar las piezas que ha utilizado en la construcción de su puente y calcular el número de puntos según la Tabla 1. La puntuación debida al coste se calcula de la siguiente forma:
𝑃𝑐𝑜𝑠𝑡 = 0.25000 − 𝑃 400
Donde 𝑃𝑐𝑜𝑠𝑡 es la puntuación debida a los puntos utilizados en la construcción P es
el valor del coste del material según la tabla 1. La ecuación refleja que el puente tendrá máxima puntuación en este criterio para un coste de 1000 puntos y un 0 si cuesta 5000.
2. Puntuación por longitud del vano principal (40% de la puntuación total). El
número de puntos a añadir a cada equipo debido a este apartado se calculará de acuerdo a la siguiente fórmula:
𝑃𝑙𝑣 = 0.4
𝐿𝑣 18
Donde 𝑃𝑙𝑣 es la puntuación debida a la longitud del vano principal y 𝐿𝑣 es la longitud del vano principal en centímetros. La puntuación máxima en este apartado la consigue un puente que tenga un vano principal de 180 cm.
3. Puntuación por el peso que el puente aguante hasta rotura (20% de la puntuación total). El puente será sometido a una carga que irá incrementándose
hasta que la rotura de uno de los elementos del puente. La puntuación por este aspecto se calculará utilizando a la siguiente fórmula:
𝑃𝑟 = 0.2 𝐾 0.6
Donde 𝑃𝑟 es la puntuación debida a la resistencia del puente y 𝐾 es el número de
kilos que aguanta el puente antes de romper. La máxima nota en este apartado la obtiene el puente que aguante 6 kilos antes de romper.
4. Valoración del puente por un tribunal (20% de la puntuación total). Un tribunal compuesto por los profesores responsables del concurso puntuará de 0 a 10 cada uno de los puentes, considerando su componente estética y sus fundamentos estructurales. Cada equipo sumará 0.2 veces dicha puntuación.
2.4 Fase 4: Fase final.
Tras la Fase 3, los integrantes de los equipos de los puentes finalistas, adaptarán su diseño al problema geométrico de la Figura 2 y construirán su puente (a escala 1:50) en no más de 4 horas, en la E.T.S.I de Caminos, Canales y Puertos de Ciudad Real, donde serán evaluados por un tribunal especializado según los criterios expuestos en este apartado. Ganará la competición el equipo que más puntos logre al final del día.
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Figura 2. Perfil transversal donde se deberá colocar el puente en la Fase 4 del concurso. (Cotas en metros)
1. Diferencias con respecto del diseño original propuesto en la Fase 3. (15% de la puntuación total) Los equipos finalistas pueden proponer mejoras al diseño y al
proceso constructivo de su pasarela, Estas mejoras serán puntuadas por el tribunal con una puntuación de 0 a 10.
2. Puntuación del coste del material utilizado. (20% de la puntuación total) Al
igual que en la Fase 3, cada equipo deberá contar las piezas que ha utilizado en la construcción de su puente y calcular el número de puntos según la Tabla 1. La puntuación debida al coste se calcula de la siguiente forma:
𝑃𝑐𝑜𝑠𝑡 = 0.25000 − 𝑃 400
Donde 𝑃𝑐𝑜𝑠𝑡 es la puntuación debida a los puntos utilizados en la construcción P es
el valor del coste del material según la tabla 1. La ecuación refleja que el puente tendrá máxima puntuación en este aspecto para un coste de 1000 puntos y un 0 si cuesta 5000.
3. Tiempo de construcción (15% de la puntuación total). Los cuatro equipos
comenzarán a construir el puente al mismo tiempo. Con el fin de premiar el tiempo de ejecución de la pasarela se puntuará con 10 puntos al primero, 8 puntos al segundo 6 puntos al tercero y 5 puntos al cuarto.
4. Deformación ante la prueba de carga (10% de la puntuación total). En este
caso, el puente no se destruirá, pero se someterá a una prueba de carga de 2Kg. Así, se valorará el puente que menos se deforme. Con el fin de premiar el tiempo de ejecución de la pasarela se puntuará con 10 puntos al puente que menos se deforme, 8 puntos al segundo, 6 puntos al tercero y 5 puntos al cuarto.
5. Valoración del puente por un tribunal (20% de la puntuación total). Un
tribunal compuesto por los profesores responsables del concurso puntuará de 0 a 10 cada uno de los puentes, considerando su componente estética y sus fundamentos estructurales. Cada equipo sumará 0.2 veces dicha puntuación.
6. Valoración del puente según el resultado de la votación por internet. (20% de la puntuación total) Los puentes finalistas serán expuestos en internet y
sometidos a votación. Según la valoración por internet se puntuará con 10 puntos al más votado, 8 puntos al segundo, 6 puntos al tercero y 5 puntos al cuarto.
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El premio al equipo ganador será un iPad para cada miembro del equipo. Finalmente, los puentes finalistas serán quedarán expuestos en la Escuela y/o en la biblioteca pública de Ciudad Real durante el mes de junio.
3 Inscripciones y fechas clave
Los equipos deberán rellenar la hoja de inscripciones que se encuentra en la página web http://www.caminosciudadreal.uclm.es/ y enviarla al director de la competición a
[email protected] o [email protected]. Las fechas clave para el concurso se exponen en la siguiente tabla:
Fecha Descripción Lugar
Enero 2015 Fin del proceso de inscripción e-mail a los directores del
concurso
Enero 2015 Inicio de las Fase 1 E.T.S.I. de Caminos Canales y
Puertos u otro lugar a convenir Durante los meses de febrero,
marzo, abril y mayo Fases 2 y 3 E.T.S.I. de Caminos Canales y Puertos
Finales de Junio de 2015 Fase 4 E.T.S.I. de Caminos Canales y
Puertos
