En las asignaturas Geotecnia y Procedimientos de Cimentación del grado en Ingeniería Civil y Territorial el alumno debe aprender el Estado Límite Último (ELU) geotécnico de una cimentación superficial, de una losa, de una cimentación profunda, de las estructuras rígidas de contención y de estructuras de contención flexibles. También se estudia con un grado de detalle mayor en la asignatura de Cimentaciones Especiales del Máster en Estructuras, Cimentaciones y Materiales. No obstante, a pesar de que las asignaturas antes mencionadas se hace un esfuerzo por ilustrar de forma práctica los conceptos del desarrollo teórico, los alumnos manifiestan la necesidad de observar, de forma tangible en modelos físicos, los mecanismos de rotura que se pueden presentar en las cimentaciones y/o obras de contención. Por tal razón, este proyecto plantea brindar ese refuerzo conceptual a partir de modelos físicos.

Para ello, se plantea elaborar modelos físicos a pequeña escala en el que las cimentaciones y obras de contención se construirán mediante impresiones en tres dimensiones (3D), con la participación del alumno en el diseño de las mismas. Así, el aprendizaje del alumno se ve favorecido al estar directamente implicado en el todo el proceso: desde la preparación del modelo físico hasta la ejecución de la prueba que evidencie el mecanismo de rotura de la cimentación y/o de la obra de contención. De igual modo, el alumno también desarrollará su propia capacidad de aprendizaje y sabrá resolver los problemas que le puedan ir surgiendo en el proceso. Experiencias previas de PIE desarrollados en nuestro departamento demuestran que, con esta dinámica, el conocimiento del alumno se ve reforzado si experimenta y crea sus propios modelos reales.

Con este proyecto se plantea que:

1. El alumno pueda experimentar, a través de modelos físicos a escala reducida, cómo se comportan las cimentaciones y estructuras que se calculan en clase.
2. El alumno sea capaz de diseñar e imprimir en 3D, cimentaciones y obras de contención, a escala reducida, para su posterior uso en el modelo físico del problema a analizar. Para ello, antes de proceder a la impresión de las cimentaciones y estructuras de contención, los profesores confirmarán que el diseño realizado por los alumnos es válido, y se partirá de la experiencia del GIE en la realización de impresiones en 3D con fines didácticos (PIE “Un afloramiento rocoso en el laboratorio: Aula Invertida para el aprendizaje de las estaciones geomecánicas” curso 2021-2022).
3. El alumno elabore el prototipo del modelo físico, a escala reducida, con las cimentaciones y estructuras impresas en 3D. El terreno del modelo físico podrá ser rellanado con distintos tipos de material (al menos uno de naturaleza granular y otro de naturaleza cohesiva).  
4. El alumno pueda evaluar sobre el modelo físico, la acción de cargas en servicio, según el problema en análisis.

El proyecto se desarrollará en el laboratorio de Geotecnia de la ETSI de Caminos, Canales y Puertos y los aspectos mencionados permitirán a los alumnos evaluar lo dado en clase. En particular: (i) Identificar si las cargas actuantes sobre las estructuras producen o no el mecanismo de rotura. (ii) Identificar, en caso de que ocurra, cómo y cuándo se produce el mecanismo de rotura, así como también, las acciones más desfavorables que ocasionaron el mismo. (iii) Estudiar la diferencia de comportamiento de las estructuras en función del tipo de terreno y comprobando qué acciones externas pueden resultar más desfavorables para cada modo de fallo. Todo ello, como se ha comentado, empleando los prototipos realizados.

Por tanto, este Proyecto le brindará al alumno un mejor entendimiento del comportamiento del terreno en una cimentación o en un elemento de contención para así poder realizar optimizados y seguros.

Tanto las tareas de diseño e impresión como la de los ensayos serán grabados para poderlos publicar en el canal de youtube del Departamento, en el área de Geotecnia (https://short.upm.es/ywuei). Como se ha comentado anteriormente, la aplicación del Proyecto se puede aplicar a distintas asignaturas del Departamento de Ingeniería y Morfología del Terreno. Entre ellas las siguientes:

Geotecnia: sexto semestre del Grado en Ingeniería Civil y Territorial. Obligatoria: 200 alumnos

Procedimientos de cimentación. Octavo semestre del Grado en Ingeniería Civil y Territorial. Obligatoria en la mención de construcciones civiles: 60 alumnos

Cimentaciones especiales. Máster Universitario de estructuras, Cimentaciones y Materiales, del primer semestre: 25 alumnos.

En este primer curso la aplicación del Proyecto se realizará en la asignatura de Geotecnia. Se considera que podrán participar en la actividad unos 20 alumnos (del orden del 10%).

El objetivo general del Proyecto de Innovación Educativa es que el alumno adquiera los conocimientos para realizar un diseño óptimo de las cimentaciones y de las estructuras de contención, a partir de experiencias complementarias basadas en modelos físicos a escala reducida. En concreto, se quiere que el alumno alcance los siguientes objetivos específicos:

• Desarrollar la capacidad de diseñar cimentaciones y estructuras de contención.
• Comprender el comportamiento de las cimentaciones y estructuras de contención con las cargas de servicio.
• Entender cómo, cuándo y por qué se produce el mecanismo de rotura de las cimentaciones y estructuras de contención.
• Conocer el grado de sensibilidad del comportamiento de una cimentación y/o estructura al cambio de terreno de cimentación y de las acciones externas.

Con este Proyecto se pretende que el alumno comprenda de una manera real (en modelo físico a escala reducido) el comportamiento del terreno en las cimentaciones y en los elementos de contención.

• Los alumnos no suelen entender bien el diferente comportamiento entre del suelo granular y cohesivo. El PIE pretende que el alumno sea capaz de visualizar el comportamiento diferente asociado a ambos tipos de suelo.
• El alumno podrá ver mediante el ensayo del prototipo los modos de fallo geotécnicos.
• El alumno aprenderá la sensibilidad que tiene la planificación de las distintas acciones en el estado límite último de la cimentación.
• Los videos elaborados podrán ser empleados en futuros cursos para realizar el aprendizaje mediante la metodología de Aula Invertida.

Por último, mediante el Proyecto de Innovación Educativa se quiere aumentar la motivación del alumno lo que suele redundar en un mejor aprendizaje.

A continuación de enumeran las distintas etapas en las que se divide el Proyecto.

Etapa 1.- Propuesta de problemas a estudiar y diseño de las cimentaciones y estructuras de contención con las herramientas analíticas enseñadas en clase. Los profesores propondrán una serie de casos representativos para que el alumno diseñe las cimentaciones o las estructuras de contención, según corresponda. Durante el diseño los alumnos podrán consultar las dudas a los distintos profesores del PIE. Una vez concluida las propuestas los profesores corregirán las propuestas para confirmar que son viables.

Etapa 2.- Impresión de las cimentaciones y elementos estructurales. La impresora 3D será manejada por alguno de los profesores del Proyecto, pero los alumnos estarán presentes durante el proceso para que puedan aprender sobre el empleo de una impresora en 3D. Aunque no se trate de un aprendizaje en el ámbito geotécnico, se considera que puede completar la formación del alumno con una herramienta que pueden emplear en su futuro profesional.

Etapa 3.- Elaboración y configuración del modelo físico a escala reducida. El alumno deberá preparar el modelo físico conformado por: la cimentación y/o elementos estructurales impresos en la etapa anterior, el terreno (granular o cohesivo) del problema a analizar. También se deberá configurar un equipo multimedia (cámara e iluminación) para la toma de fotos y grabación de videos durante la realización de los ensayos.

Etapa 4.- Realización de ensayos en Estado Límite de Servicio (es decir, sin alcanzar el mecanismo de rotura del terreno) para distintos tipos de suelo y para diversas hipótesis de combinación de acciones. El alumno podrá realizar distintas pruebas para estudiar el comportamiento de cimentaciones y estructuras de contención. Es interesante que el alumno experimente conociendo qué acciones pueden ser más desfavorables, qué modificaciones en la geometría pueden ser más adecuadas para cimentaciones y estructuras.

Etapa 5.- Realización de ensayos en Estado Límite Último para distintos tipos de cimentación, para diversas hipótesis de combinación de acciones y considerando al menos un suelo cohesivo y un suelo granular. El alumno deberá incrementar las cargas para producir la rotura/plastificación del terreno. Deberá comparar los resultados del modelo con lo aprendido en clase.

Etapa 6.- Procesamiento de las fotos y videos realizados. El alumno deberá interpretar y analizar la respuesta del terreno y mecanismo de fallo observado en el ensayo. También deberá realizar un análisis comparativo de los resultados obtenidos con las bases teóricas dadas en clase.

Durante todo el proceso el equipo de trabajo que integran el PIE estará en contacto con los alumnos para poder resolver las dudas que puedan surgir, así como servir de guía en el proceso de aprendizaje.

            Además, de este seguimiento se realizarán las siguientes tareas. Las tres primeras están encaminadas a evaluar el aprendizaje del alumno:

• Se realizará una prueba previa a la actividad para evaluar los conocimientos del alumno.
• Se realizará una prueba al finalizar la actividad para evaluar el aprendizaje del alumno gracias a su participación en el PIE.
• Se evaluará también en los ejercicios de los exámenes de las asignaturas, en aquellos ejercicios correspondientes a la materia estudiada en este Proyecto. Se compararán las calificaciones de los alumnos que han participado en la actividad con los que no lo han hecho.

Al final de la actividad se les realizará una encuesta a los alumnos en las que ellos mismos deberán evaluar su aprendizaje, así como su grado de motivación con la actividad.

En primer lugar, se dispondrá de cimentaciones y estructuras de contención impresas en 3D que permitirán realizar en un futuro nuevos ensayos, en modelos físicos a escala reducida, a los futuros alumnos de Grado y Máster.

En segundo lugar, se grabarán videos de los distintos ensayos realizados que permitirán el aprendizaje a los futuros alumnos. Se podrán emplear como material complementario a clases magistrales o como herramienta para realizar un aprendizaje basado en Aula Invertida.

En tercer lugar, se elaborará una Guía Metodológica sobre el aprendizaje basado en Design-Thinking. En la misma se explicarán las diferentes etapas del Proyecto resaltando los logros y dificultades en el proceso de aprendizaje.

El desarrollo y los resultados del PIE se divulgarán mediante las siguientes actividades:

Los alumnos participantes en la actividad explicarán en clase su experiencia en el aprendizaje.

Se difundirá los vídeos en el canal de youtube del Departamento, en el área de Geotecnia (https://short.upm.es/ywuei), así como también, a través de la cuenta de nuestro departamento de Geotecnia @GeotecniaICCP en la red social X (antigua Twitter) .

Se escribirá un artículo para presentar en un Congreso de Innovación Educativa. Teniendo en cuenta el período de desarrollo del PIE se ha pensado en que se presente el artículo en el Congreso Internacional sobre aprendizaje, innovación y cooperación (CINAIC) que se celebra anualmente en Madrid.

El Proyecto se realizará con los miembros del GIE presentes en el Presente Proyecto. La impresión de cimentaciones y estructuras de contención, así como los ensayos se realizarán en el Laboratorio de Geotecnia de la ETSI de Caminos, Canales y Puertos.