La realización de ensayos en modelos reducidos es una herramienta didáctica ampliamente utilizada en la enseñanza de las estructuras. En el departamento de Estructuras y Física de Edificación (DEFE) se han utilizado ampliamente en los últimos 40 años. El proyecto que se presenta se incluye en esa línea de trabajo ampliamente utilizada en el pasado y tiene como objetivo explorar los movimientos necesarios para que se produzca el colapso de un arco de fábrica.

Para realizar el estudio se hace uso de dos herramientas. Por una parte la grabación digital de los ensayos con cámara de alta velocidad. Y por otra, la utilización de un dispositivo de elaboración propia que permite realizar los movimientos de los apoyos en la dirección y la velocidad deseada.

Con la grabación en vídeo se obtienen un resultado doble. Se puede definir con precisión el instante en que se inicia el colapso y, además, se tienen vídeos de gran interés que, debidamente editados, se utilizarán para preparar material didáctico audiovisual. Este material se utilizará en las clases de grado y de máster y estará disponible en el portal de innovación educativa de la UPM.

Por otra parte, los elementos que se ensayan estarán realizados con un material suficientemente resistente que permitirá su uso repetidas veces. De ese modo, con las mismas piezas se pueden realizar infinidad de ensayos en los que probar diferentes direcciones de deslizamiento, repitiéndolos las veces que sea necesario. De ese modo, los alumnos podrán utilizarlo en repetidas ocasiones.

Con el proceso seguido se podrá identificar tanto la configuración previa al colapso como los asientos y desplomes necesarios para que se produzca.

La economía de los medios empleados permitirá crear varios tipos de arcos con diferentes esbelteces.

El ensayo se complementa con la exploración de resultados utilizando el software ArcoTSAM, desarrollado previamente por varios profesores del departamento, y que para este proyecto ha incluido una importante aportación. La nueva colección de macros está realizada para GNU Octave (lenguaje de programación de alto nivel, que forma parte del proyecto GNU, es software libre y compatible con Matlab) y permite predecir la configuración de colapso de un arco de dovelas cuando se produce el desplazamiento de alguno de los apoyos en una determinada dirección.

El origen de este proyecto está en el trabajo realizado por Smars en 2000 y 2010 en donde estudiaba los movimientos posibles de un arco de medio punto. En la figura se muestran los desplazamientos posibles del apoyo derecho de un arco de medio punto y para diferentes configuraciones de rotura.

 Mediante el uso de ArcoTSAM se pueden predecir los desplazamientos necesarios para producir el colapso en cualquier tipo de arco.

Con este proyecto, los alumnos podrán combinar el trabajo experimental con el estudio de los resultados del análisis mediante el uso de ArcoTSAM. La facilidad de producir gran cantidad de resultados tanto mediante el procedimiento experimental como en el analítico permitirá a los alumnos interiorizar el comportamiento resistente y las condiciones de estabilidad de una construcción de fábrica de una manera mucho más completa que el mero estudio analítico del equilibrio.

Se trata por tanto de una propuesta formativa de gran interés para mejorar la comprensión del comportamiento mecánico de las estructuras de fábrica.

La experiencia que se propone estará disponible en todas las asignaturas del departamento de Estructuras y Física de Edificación, sin embargo hay varias para las que está destinado especialmente.

• Taller experimental 1, Construir y romper estructuras. Se trata de una asignatura obligatoria del primer semestre del grado en Fundamentos de la Arquitectura. En ella los alumnos eligen un taller entre varios que se proponen. Se ha impartido en los tres últimos años, con una media de cuarenta alumnos cada año. Se trata de una asignatura práctica en la que los alumnos realizan ensayos de estructuras que han construido. Esta experiencia se incorporaría como una actividad a realizar durante dos semanas.

• Estructuras 1.Asignatura del cuarto semestre del grado en Fundamentos de la Arquitectura. La cursan 480 alumnos cada año. El estudio del equilibrio y la compatibilidad de movimientos es uno de los objetivos de esta asignatura. Durante nas tres semanas se podrán utilizar los resultados de esta experiencia.

• Proyecto de estructuras. Asignatura del décimo semestre del grado en Fundamentos de la Arquitectura que cursan 480 alumnos cada año.

• Intensificación en estructuras. Taller experimental del noveno semestre del grado en Fundamentos de la Arquitectura que cursan unos 20 alumnos cada año.

• Trabajo fin de grado. El proyecto que se propone puede servir para realizar varios trabajos fin de grado en Fundamentos de la Arquitectura.

• Titulaciones de máster:

• Máster Universitario en Estructuras de Edificación

• Máster Universitario en Construcción y Tecnología de Edificios Históricos

• Máster Habilitante

El objetivo fundamental del proyecto es preparar una herramienta con la que los alumnos puedan visualizar el proceso de colapso de arcos de fábrica. Con ello mejorará sustancialmente la comprensión de la mecánica de las fábricas, ya que se complementa el conocimiento estático que se estudia en las asignaturas de grado, con el evidencia empírica del comportamiento cinemático.

Para ello se proponen una serie de objetivos parciales con el fin de completar el proyecto:

• Elaborar varios tipos de arcos con deferentes formas y esbelteces.

• Ensayar los diferentes tipos de arcos buscando las formas de colapso para diferentes movimientos de los apoyos grabando las pruebas.

• Analizar los arcos ensayados mediante ArcoTSAM.

• Comparar los resultados experimentales y analíticos.

• Elaborar vídeos didácticos a partir de la edición de las grabaciones de los ensayos y los resultados analíticos.

La realización de los ensayos en los que se ve la manera en que se produce el colapso y los desplazamientos necesarios permitirá mejorar la comprensión del equilibrio de las obras de fábrica.

El empleo de ArcoTSAM permitirá familiarizarse con una herramienta similar a las habituales en el análisis de estructuras.

El contraste entre los resultados experimentales y analíticos permitirá familiarizarse con las simplificaciones necesarias, y utilizadas habitualmente, para poder poder estudiar estructuras complejas.

Como competencia transversal se conseguirá mejorar la capacidad crítica del estudiante.

Recursos docentes que se utilizarán en el proyecto.

Para la realización del proyecto se cuenta con diverso material disponible en el Departamento de Estructuras y Física de Edificación y en el Laboratorio de Estructuras:

1. Cámaras de vídeo de alta velocidad, tarjetas de memoria, trípodes.

2. Ordenadores disponibles en el laboratorio de estructuras.

3. Herramientas para la fabricación de los moldes necesarios para la confección de las dovelas de los arcos.

Material docente que se obtendrá al finalizar el proyecto:

1. Herramienta para hacer ensayos de colapso de arcos de fábrica que estará formada por los siguientes elementos:

   1. Mesa de trabajo con dispositivo para desplazar los apoyos en cualquier dirección y velocidad, con el software necesario para su uso.

   2. Colección de dovelas de diferentes tipos de arco con distintas esbelteces.

2. Colección de vídeos con el registro de ensayos de diversos arcos con diferentes formas y esbelteces.

3. Solución analítica de los diferentes modelos ensayados.

4. Documentos escritos en los que se expliquen los resultados obtenidos.

Los resultados que se esperan obtener son de distinto tipo y podrán utilizarse en los años siguientes en diferentes asignaturas del grado en Fundamentos de la Arquitectura y en los másteres de Estructuras de Edificación, en Construcción y Tecnología de Edificios Históricos y el Habilitante.

1. Herramienta para hacer ensayos de colapso de arcos de fábrica.

2. Varios modelos de arcos con formas y esbelteces diferentes.

3. El software ArcoTSAM.

4. Colección de vídeos didácticos con los ensayos realizados.

5. Presentación a un congreso de innovación educativa.

6. Artículo en una revista especializada en temas educativos.

7. Artículo en una revista científica con la descripción de los resultados obtenidos.

e han realizado dos comunicaciones a congresos y se pretenden realizar otras dos comunicaciones en congresos de innovación educativa. Además, se prevé elaborar otros dos artículos, uno para una revista de innovación educativa y otro para una revista científica en la que se muestren los resultados obtenidos.

Uno de los profesores que participa en el proyecto forma parte del departamento de construcciones arquitectónicas y su control con el que está previsto colaborar.

En el citado departamento disponen de un aparato de ensayo fotoelástico y se explorará la posibilidad de estudiar con él los arcos que se ensayen.