Resumen
Los estudiantes aprenden acerca de los posibles tipos de cargas, la forma
de calcular las combinaciones de carga última, e investigan los diferentes
tamaños de las vigas (vigas y columnas) (muelles), de diseño simple
puente. Ellos aprenden los pasos que los ingenieros utilizan para diseñar
puentes: la comprensión del problema, determinar las posibles cargas del
puente, el cálculo de la carga más alta posible, y el cálculo de la cantidad de
material necesario para resistir las cargas.
Conexión de ingeniería
Los ingenieros que las estructuras de diseño deben entender completamente
el problema que hay que resolver, que incluye la complejidad del sitio y las
necesidades de los clientes. Diseñar para la seguridad y la longevidad,
los ingenieros consideran los diferentes tipos de cargas, la forma en que se
aplican y dónde. Los ingenieros a menudo apuntan a un diseño que es más
fuerte y más ligero posible a uno con la mayor relación resistencia-peso.
El conocimiento
pre-requisito
Los
estudiantes deben tener una familiaridad con los tipos de puentes, como se
introdujo en la primera lección de la unidad de puentes, incluyendo el área, y
las fuerzas de compresión y tracción.
Objetivos de
aprendizaje
Después de esta
lección, los estudiantes deben ser capaces de:
- Enumerar varios ejemplos de
cargas que puedan afectar a un puente.
- Explicar por qué el
conocimiento de varias cargas o fuerzas es importante en el diseño del
puente.
- Describir el proceso que
utiliza un ingeniero para diseñar un puente, incluyendo la determinación
de cargas, el cálculo de la carga más alta, y el cálculo de la cantidad de
material para resistir las cargas.
Estándares educativos
Estándares
de Ciencias de Nueva Generación: Ciencia
- Definir
los criterios y las restricciones de un problema de diseño con la
suficiente precisión para asegurar una solución exitosa, teniendo en
cuenta los principios científicos pertinentes y los posibles impactos
sobre las personas y el medio ambiente natural que puede limitar las
posibles soluciones. (Grados
6 - 8) Detalles ... Ver más alineado plan de estudios ... ¿Está de acuerdo con
esta alineación? SíNo
Estándares
Estatales Comunes: Matemáticas
- Fluidez
sumar, restar, multiplicar y dividir decimales de varios dígitos usando el
algoritmo estándar para cada operación. (Grado
6) Detalles ... Ver más alineado plan de estudios ... ¿Está de acuerdo con
esta alineación?SíNo
Tecnología
Internacional y Asociación de Educadores de Ingeniería: Tecnología
- La selección
de diseños para estructuras se basa en factores tales como las leyes y
códigos de construcción, el estilo, la comodidad, el costo, el clima y la
función. (Grados 6 - 8) Detalles ... Ver más alineado plan de estudios ... ¿Está de acuerdo con
esta alineación? SíNo
- Edificios
en general contienen una variedad de subsistemas. (Grados 6 - 8) Detalles ... Ver más alineado plan de estudios ... ¿Está de acuerdo con
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Colorado:
Ciencia
- Predecir
y evaluar el movimiento de un objeto mediante el examen de las fuerzas
aplicadas al mismo (Grado 8)Detalles ... Ver más alineado plan de estudios ... ¿Estás de acuerdo
con esta alineación? SíNo
Introducción / Motivación
Sabemos que los puentes juegan un papel
importante en nuestra vida cotidiana. Sabemos
que son componentes esenciales de las ciudades y las carreteras entre las
poblaciones de personas. Algunos
puentes son simples y directas; otros
son increíblemente compleja. ¿Cuáles
son algunos puentes que usted sabe que podrían ser llamados puentes simples? (Posibles respuestas: ¿Iniciar sesión
sobre un arroyo, puentes sobre arroyos.) ¿Cuáles son algunos puentes que
conoces que podrían considerarse más complicado? (Posibles respuestas: Puente Golden
Gate, otros grandes puentes, puentes que llevan tanto el tráfico de la
carretera y el tráfico de trenes.) ¿Qué hace que algunos puentes complejos
simple y otra? (Posibles
respuestas: Su tamaño, múltiples fines, condiciones ambientales, las fuerzas
ambientales, los requisitos de mantenimiento de materiales, etc.)
Un ejemplo sorprendente de la
contribución de un puente para conectar a la gente a otras poblaciones y
lugares, tanto por razones sociales y de comercio es el puente de la puerta del
cielo conectar a la gente con el aeropuerto internacional de Kansai de Japón,
situado en la bahía de Osaka.
Todo comenzó cuando los cercanos
aeropuertos de Osaka y Tokio fueron incapaces de satisfacer la demanda, ni ser
ampliado. Para resolver el
problema, la gente de Japón llevaron a uno de los proyectos de ingeniería más
desafiantes del mundo haya visto. Como
no tenían tierra para un nuevo aeropuerto, que decidieron crear el Aeropuerto
Internacional de Kansai mediante la construcción de una isla entera! En esta nueva isla artificial, se
construyó la terminal del aeropuerto y pistas de aterrizaje. Entonces, necesitaban un puente para
acceder a ella. Abarcando 3,7 km
del continente, en Osaka al aeropuerto en una bahía del océano, el puente de
Sky Gate es uno de los puentes de viga más largos del mundo y tiene una
cubierta superior para el transporte de automóviles y una inferior, la cubierta
interna de las líneas de ferrocarril.
Imagen satelital de Sky Gate Bridge
al aeropuerto de Kansai, en la bahía de Osaka, Japón.
derechos de autor
Considera una maravilla de la ingeniería
moderna, el aeropuerto y el puente se abrió en 1994. Cuatro meses más tarde,
que sobrevivió a un terremoto de 6,7 grados de magnitud, con sólo daños
menores. Debido a que el sitio
del aeropuerto se construye en suelo compacto, se hunde 2-4 cm por año - otra
condición para que los ingenieros consideran en la seguridad y el mantenimiento
continuo del aeropuerto y el puente.
No es fácil crear un puente el tamaño
del puente de Sky Gate. ¿Se ha
preguntado cómo los ingenieros que seguir para el diseño de un puente entero? Los puentes se diseñan a menudo una
pieza a la vez. Cada muelle
(columnas) y la viga (vigas) tiene que cumplir con ciertos criterios para el
éxito de todo el puente. Los
ingenieros estructurales pasan por varios pasos antes incluso de la creación de
ideas para el diseño final.
- Primero
y ante todo, los ingenieros deben entender el problema completamente. Para ello, se hacen muchas
preguntas. ¿Cuáles son
algunas de las preguntas que los ingenieros podrían hacer? (Posibles respuestas:???? ¿Qué
tan fuerte se necesita para hacer el puente ¿Qué materiales utilizar ¿Cómo
anclar las bases muelle Qué fenómenos naturales podría el puente tiene que
ser capaz de soportar)
- A
continuación, los ingenieros deben determinar qué tipo de cargas o fuerzas
que esperan que el puente de llevar. Las
cargas pueden incluir el tráfico, tales como trenes, camiones, bicicletas,
coches y personas. Otras
cargas podrían estar en el medio natural. Por ejemplo, los puentes en
Florida deben ser capaces de resistir las fuerzas de huracanes. Por lo tanto, los ingenieros
consideran cargas tales como vientos, huracanes, tornados, nieve,
terremotos, corriendo el agua del río, y, a veces el agua estancada. ¿Puede usted pensar en otras
cargas que pueden actuar en un puente de cualquier tipo?
- El
siguiente paso es determinar si estas cargas pueden ocurrir al mismo
tiempo y qué combinación de cargas proporciona la mayor fuerza posible
(estrés) en el puente. Por
ejemplo, un tren que cruza un puente y un terremoto en las proximidades
del puente podría ocurrir al mismo tiempo. Sin embargo, muchos de los
vehículos que cruzan un puente y un tornado que pasa cerca del puente,
probablemente no ocurrirían al mismo tiempo.
- Después
de haber calculado la mayor fuerza anticipada de todas las posibles
combinaciones de carga, los ingenieros utilizan ecuaciones matemáticas
para calcular la cantidad de material necesario para resistir las cargas
en ese diseño. (Para
simplificar, no vamos a considerar cómo estas fuerzas actúan sobre el
puente;. El hecho de saber que actúan en el puente es suficiente)
- Después
de que se han tenido en cuenta todos estos cálculos, los ingenieros de una
lluvia de ideas diferentes ideas de diseño que se adapten a las cargas y
cantidad de material necesario anticipadas. Se separaron su diseño en partes
más pequeñas y el trabajo sobre los criterios de diseño para todos los
componentes del puente.
Antecedentes lección y Conceptos para
Profesores
Para el diseño de estructuras de puentes
de seguridad, el proceso de diseño de ingeniería incluye los siguientes pasos:
1) el desarrollo de una comprensión completa del problema, 2) determinar las
posibles cargas del puente, 3) la combinación de estas cargas para determinar
la carga potencial más alto, y 4) la computación relaciones matemáticas para
determinar la cantidad de un determinado material que se necesita para resistir
la carga más alta.
Entendiendo el
problema
Uno de los pasos más importantes en el
proceso de diseño es entender el problema. De
lo contrario, el trabajo duro del diseño puede llegar a ser un desperdicio. En el diseño de un puente, por
ejemplo, si el equipo de diseño de ingeniería no entiende el propósito del
puente, entonces su diseño podría ser completamente irrelevante para la
solución del problema. Si se les
dice a diseñar un puente para cruzar un río, sin saber más, podrían diseñar el
puente para el tren. Sin embargo,
si el puente se supone que es sólo para peatones y ciclistas, probablemente
sería groseramente sobre-diseñado y innecesariamente caro (o viceversa). Por lo tanto, para un diseño que sea
adecuado, eficiente y económica, el equipo de diseño debe primero entender
completamente el problema antes de tomar cualquier acción.
Determinación
de carga
La determinación de las cargas o fuerzas
potenciales que se anticipan para actuar en un puente está relacionada con la
ubicación del puente y el propósito. Los
ingenieros consideran tres tipos principales de cargas: cargas muertas, cargas
vivas y cargas ambientales:
- Las cargas muertas incluyen el peso del puente en sí
más cualquier otro objeto permanente fijado al puente, tales como cabinas
de peaje, muestras de la carretera, barandillas, puertas o una superficie
de carretera de hormigón.
- Las cargas vivas son temporales cargas que actúan
sobre un puente, tales como automóviles, camiones, trenes o peatones.
- Cargas ambientales son temporales cargas que actúan
sobre un puente y que son debido al clima u otras influencias ambientales,
como el viento de huracanes, tornados o altas ráfagas; nieve; y terremotos. Recogida de agua de lluvia
también podría ser un factor si no se proporciona un drenaje adecuado.
Los valores para estas cargas dependen
del uso y la ubicación del puente. Ejemplos:
Las columnas y vigas de un puente de varios niveles diseñado para trenes,
vehículos y peatones deben ser capaces de soportar la carga combinada utiliza
los tres puente al mismo tiempo. La
carga de nieve previsto para un puente en Colorado sería mucho mayor que uno en
Georgia. Un puente en Carolina
del Sur debe ser diseñado para soportar las cargas sísmicas y cargas de viento
del huracán, mientras que el mismo puente en Nebraska debe estar diseñado para
cargas de viento de tornado.
Combinaciones
de carga
Durante el diseño del puente, la
combinación de las cargas para un puente en particular es un paso importante. Los ingenieros utilizan varios métodos
para realizar esta tarea. Los dos
métodos más populares son los métodos de la UBC y ASCE.
El Código Uniforme de Construcción
(UBC), el estándar de código de construcción adoptada por muchos estados,
define cinco diferentes combinaciones de carga. Con este método, la combinación de
carga que produce la mayor carga o efecto más crítico se utiliza para la
planificación del diseño. Los
cinco combinaciones de carga de UBC son:
- Carga
muerta + carga + carga de nieve en vivo
- Carga
muerta + carga + viento vivo de carga (o carga del terremoto)
- Carga
muerta + carga + viento vivo Carga + (carga de nieve ÷ 2)
- Carga
muerta + carga + Snow Live Carga + (carga de viento ÷ 2)
- Carga
muerta + carga + Snow Live terremoto Carga Carga +
La Sociedad Americana de Ingenieros
Civiles (ASCE) define seis diferentes combinaciones de carga. Al igual que con el método de UBC, la
combinación de carga que produce la mayor carga o efecto más crítico se utiliza
para la planificación del diseño. Sin
embargo, los cálculos de carga para ASCE son más complejos que los de la UBC. A los efectos de esta lección y su
actividad asociada, utilizaremos las cinco combinaciones de carga de la UBC.
Determinación
del tamaño de miembro
Figura 1. fuerza que actúa sobre
una columna.
derechos de autor
Después de un ingeniero determina la
combinación más alta o más crítico de carga, s / que determina el tamaño de los
miembros. Un miembro de puente es
cualquier pieza principal individual de la estructura de puente, tales como
columnas (muelles) o vigas (vigas). Columna
y viga tamaños se calculan de forma independiente.
Para solucionar el tamaño de una
columna, los ingenieros realizan cálculos utilizando las fortalezas de los
materiales que han sido pre-determinado a través de pruebas. El boceto figura 1 muestra una carga
que actúa sobre una columna. Esta
fuerza representa la combinación de carga más alta o más crítica desde arriba. Esta carga actúa sobre el área de
sección transversal de la columna.
El estrés debido a esta carga es σ = ÷
Fuerza Área. En la Figura 1, el
área es desconocida y por lo tanto el estrés es desconocido. Por lo tanto, el uso de la tracción y
resistencia a la compresión del material se utiliza para el tamaño del miembro
y la ecuación se convierte Fuerza = Fy x Area, donde la fuerza es la
combinación más alta o más crítico de carga. Fy
puede ser la resistencia a la tracción o resistencia a la compresión del
material. Para el acero de
construcción común, este valor es típicamente 50.000 lb / in 2 . Para
concreto, este valor es típicamente en el intervalo de 3,500 lb / in 2 a 5000 lb / in 2para
la compresión. Típicamente, los
ingenieros asumen que la resistencia a la tracción del hormigón es cero. Por lo tanto, la solución para el Área,
Área = Fuerza ÷ Fy. Mantener las
unidades consistente es importante: La fuerza se mide en libras (lbs) y Fy en
libras por pulgadas cuadradas (lb / in 2 ). El
área se resuelve fácilmente para y se mide en pulgadas cuadradas (en 2 ).
Figura 2. fuerza que actúa sobre
una viga.
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Para resolver para el tamaño de una
viga, ingenieros realizan más cálculos. El
trazo de la figura 2 muestra un haz con una carga que actúa sobre él. Esta carga es la combinación más alta
o más crítico carga que actúa sobre la parte superior de la viga en la mitad
del tramo. Las fuerzas de
compresión actúan generalmente en la parte superior de la fuerzas de haz y de
tracción actúan sobre la parte inferior de la viga debido a esta carga
particular. Para este ejemplo, la
ecuación para calcular el área se vuelve un poco más complicado que para el
tamaño de una columna. Con una
sola carga que actúa en la mitad del intervalo de un haz, la ecuación es la
fuerza x Longitud ÷ 4 = F y x Z x . Como
antes, la fuerza es igual las libras más altos o más críticos combinación de
carga (libras). La longitud es la
longitud total de la viga que generalmente se conoce. Por lo general, las unidades de
longitud se dan en pies (ft) y a menudo convierten a pulgadas. F y es la resistencia a la tracción o
resistencia a la compresión del material como se describe anteriormente. Z x es un coeficiente que involucra las
dimensiones del área de sección transversal del miembro. Por lo tanto, Z x = (Fuerza x longitud) ÷ (F y x 4), donde Z x tiene unidades de pulgadas en cubos (en 3 ).
Figura 3. Ejemplo haz de forma
secciones transversales: (de izquierda a derecha) un rectángulo sólido, una
forma de I, y un rectángulo hueco.
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Cada forma del haz tiene sus propios
cálculos área de sección transversal. La
mayoría de las vigas en realidad tienen secciones transversales rectangulares
en edificios de hormigón armado, pero el mejor diseño de sección transversal es
una viga en forma de I para una dirección de flexión (arriba y abajo). Durante dos direcciones de movimiento,
una caja, o viga rectangular hueca, funciona bien (véase la Figura 3).
Vocabulario / Definiciones
lluvia de ideas: Un método para la resolución de
problemas compartida en la que todos los miembros de un grupo de forma rápida y
espontáneamente contribuyen muchas ideas.
resistencia a la compresión: La cantidad de tensión de compresión que
un material puede resistir antes de fallar.
área de sección
transversal: A "rebanada" o vista superior
de una forma (tal como una viga o muelle).
Diseño: (verbo) para planificar en forma
sistemática, a menudo gráfico. Para
crear para un propósito o efecto particular. Diseñar
un puente. (sustantivo) Un plan
bien pensado.
ingeniero: Una persona que aplica su / su
comprensión de la ciencia y las matemáticas para crear cosas para el beneficio
de la humanidad y de nuestro mundo.
Ingeniería: La aplicación de principios científicos
y matemáticos para fines prácticos, tales como el diseño, la fabricación y el
funcionamiento eficiente y económico estructuras, máquinas, procesos y
sistemas.
diseño de ingeniería: El proceso de elaboración de un sistema,
componente o proceso para satisfacer las necesidades deseadas. (Fuente: Junta de Acreditación de
Ingeniería y Tecnología, Inc.)
carga: Cualquiera de las fuerzas que una
estructura se calcula para oponerse, que comprende cualquier fuerza inmóvil e
invariable (carga muerta), cualquier carga de viento o sismo (carga ambiental),
y cualquier otro movimiento o fuerza temporal (carga viva).
miembro de: un ángulo, viga, placa individuo o una
pieza construida destinados a ser una parte integral de un marco o estructura
montada.
resistencia a la tracción: La cantidad de esfuerzo de tracción que
un material puede resistir antes de fallar.
Las actividades asociadas
- Cargar para arriba! - Los estudiantes toman
un aspecto práctico en el diseño de pilares de puentes (columnas). El uso de arcilla, malvaviscos o
espuma, que el diseño y el modelo de prueba columnas para resistir las
cargas predeterminadas y realizar cálculos para determinar áreas de
sección transversal de las columnas.
Cierre lección
Tome un momento y pensar en todos los
puentes que conoces alrededor de su casa y en la comunidad. Tal vez se les ve en las carreteras,
caminos para bicicletas o senderos para caminar. Pensar en los que tienen muelles
(columnas) y vigas (vigas). ¿Qué
es lo que parecen? ¿Puede usted
recordar los tamaños de los pilares y vigas? (Punto
de discusión: Los estudiantes pueden recordar notar que los pilares y vigas
para puentes para peatones y ciclistas son mucho más pequeñas que las de carretera
o del tráfico ferroviario.)
¿Cuáles son ejemplos de los tipos de
carga? (respuestas posibles:
vehículos, personas, la nieve, la lluvia, el viento, el peso del puente y sus
barandas y signos, etc.) ¿Por qué las cargas de hacer una diferencia en cómo un
ingeniero diseñó un puente? (Respuesta:
Los ingenieros deben averiguar todas las cargas que puedan afectar a los
puentes antes de que ellos diseñan.) Si usted fuera un ingeniero, ¿cómo usted
va sobre el diseño de un puente para asegurarse de que era seguro? (Puntos de discusión:. En primer
lugar, entender completamente el problema que hay que resolver con el puente,
sus necesidades y el propósito Luego averiguar todos los posibles tipos de
cargas [fuerzas] que el puente podría tener que soportar continuación, calcular
la carga máxima posible del puente. podría tener que soportar a la vez. a
continuación, averiguar la cantidad de material de construcción requerido que
puede resistir esa carga proyectada.)
Archivos adjuntos
Evaluación
Evaluación
pre-lección
Dibujo pares : Divida la clase en grupos de tres
estudiantes cada uno. Haga que
cada boceto equipo de ingeniería de un puente para llevar un tren a través de
un río que es de 100 metros de ancho. Pídales
que describan el tipo de puente y donde la compresión y fuerzas de tracción
actúan en él.
Evaluación
post-Introducción
Completar el diseño / Presentación : Haga que los equipos de estudiantes
vuelven a su diseño del puente de la evaluación previa a la lección y piensan
acerca de las cargas potenciales sobre su puente, teniendo en cuenta las
medidas de ingeniería de diseño de proceso que acabamos de mencionar. Pídales que dibujen en las cargas y la
dirección que actuarían en el puente. ¿Qué
creen que la combinación de carga más alta sería (¿cuántas de estas cargas en
realidad podría ocurrir al mismo tiempo)? A
continuación, pedir uno o dos equipos de ingeniería a voluntarios para
presentar los detalles de su diseño del puente a la clase.
Evaluación
Resumen de la lección
derechos de autor
Puente humana : Haga que los estudiantes utilizan a sí
mismos como el material de construcción en bruto para crear un puente que se
extiende por el aula y es lo suficientemente fuerte que un gato podía caminar a
través de ella. Animarles a ser
creativo y diseñarlo como quieran, con el requisito de que cada persona debe
estar en contacto directo con otro miembro de la clase. Cuántos lugares se puede identificar
la tensión y la compresión? ¿Cómo
cambiaría el diseño si el puente humano tenía que ser lo suficientemente fuerte
como para un niño a caminar a través de ella? ¿Qué
otras cargas podrían actuar sobre el puente?
Debate final : Envolver la lección y medir la
comprensión de los objetivos de aprendizaje de los estudiantes por dirigir una
discusión de clase utilizando las preguntas proporcionadas en la sección de la
lección de cierre.
Deberes
Matemáticas Hoja de trabajo : Asignar a los estudiantes la unida de carga Combinaciones Hoja
de trabajo como tarea. Después
de usar las cinco combinaciones de carga de la UBC para calcular la carga más
alta o la más crítica en la primera página, que utilizan esa información para
resolver tres problemas en las páginas siguientes, la determinación del tamaño
requerido de elementos de puente de formas y materiales especificados. Las preguntas de tres problemas
aumentan de dificultad: los estudiantes más jóvenes deben completar único
problema 1; estudiantes mayores
deben completar los problemas 1 y 2; estudiantes
de matemáticas avanzadas deben completar los tres problemas.
Actividades de Extensión de la lección
Haga que los estudiantes construyen y
ponen a prueba la capacidad de carga de los puentes de madera de balsa. Comenzar por buscar en el sitio web de
Peter L. Vogel en su concurso Balsa construcción de puentes en
http://www.balsabridge.com/
¡Los accidentes ocurren! Asignar a los estudiantes a investigar
e informar sobre lo que salió mal cuando una viga de acero de un viaducto de la
carretera cayó sobre un vehículo en movimiento. Leer el accidente terrestre podrán
Nacional de 2004 Transportation Safety Board escrito de fotos. Ver NTSB Resumen HAB-01/06, de
pasajeros colisión de un vehículo con un techo caído Puente viga en:
http://www.ntsb.gov/news/events/2006/golden_co/presentations.html
Haga que la clase participe en el año de
West Point Puente de la competencia del diseño. Acceso excelente y gratuito para
descargar software de diseño de puente y otros recursos educativos en la
Academia Militar de West Point página web: bridgecontest.usma.edu/
Soporte adicional Multimedia
Utilice el software de diseñador de
puentes en línea (sin descarga necesaria!) Proporcionado por Laboratorios
Virtuales, Escuela de Ingeniería Whiting, Universidad Johns Hopkins: http://engineering.jhu.edu/ei/bridge-designer/
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