Resumen
Los estudiantes exploran los efectos de la geología regional sobre bases
puente, incluyendo la variedad de las condiciones del suelo que se encuentran
por debajo de los cimientos. Ellos aprenden sobre cimentaciones profundas
y superficiales, así como los conceptos de presión de apoyo y liquidación.
Conexión de ingeniería
Los resultados de estudios de campo geológicas son importantes para los
ingenieros geotécnicos y estructurales que diseñan puentes, edificios y otras
estructuras de tierra. Estos ingenieros investigan las condiciones del
subsuelo de la zona y los riesgos impuestos por las condiciones en diversas
fundaciones. Tener una comprensión del tipo de suelo y marco geológico ayuda
a los ingenieros seleccionar los materiales de construcción que conforman una
estructura más probable que se mantenga de pie con el tiempo, teniendo en
cuenta factores técnicos, económicos y ambientales.
El conocimiento
pre-requisito
Los estudiantes deben
tener algún conocimiento previo de puentes, incluyendo una familiaridad con los
tipos de puentes y cargas, como se introdujo en las dos primeras lecciones de
la unidad de Puentes.
Objetivos de
aprendizaje
Después de esta
lección, los estudiantes deben ser capaces de:
- Definir y describir las bases
de una estructura.
- Describe dos
tipos básicos de bases: superficiales y profundas.
- Discutir varios factores que
los ingenieros deben tener en cuenta al diseñar bases de un puente,
incluir las condiciones del suelo, los materiales y las fuerzas.
Estándares educativos
Tecnología
Internacional y Asociación de Educadores de Ingeniería: Tecnología
- Estructuras
descansan sobre un fundamento. (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
esta alineación? SíNo
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
¿Alguna vez has esquiado en las Montañas
Rocosas de Colorado? Para llegar
a las estaciones de esquí, debe conducir a través de la I-70 corredor vial, que
es una carretera de cañón complejo con entradas de los túneles suspendidos
increíbles y la superposición de las secciones puente elevado (véanse las
figuras 1 y 2). la red de
puentes, viaductos y túneles de la barranca de Glenwood se extiende unos 20
kilómetros (12,5 millas) a través de "un desfiladero extraordinariamente
estrecho, sensible al medio ambiente en el oeste de Colorado" (fila).
Figura 1. Las porciones de la Glenwood
Canyon I-70 en Colorado.
derechos de autor
Después de haber recibido más de 30
premios desde su apertura en 1992, este camino ha ganado reconocimiento
nacional y es una sección muy transitada de la I-70, que se extiende a través
de Estados Unidos, desde Maryland a Utah. El
ex administrador Administración Federal de Carreteras Thomas Larson describe el
segmento de Glenwood Canyon de 20 kilómetros como "una pieza de clase
mundial de la ingeniería sensible al medio ambiente" y "una ruta
escénica que es una de las maravillas del sistema de un estado a otro."
Figura 2. carretera nivel variable
en Glenwood Canyon, CO.
derechos de autor
Al igual que todos los otros puentes,
los de Glenwood Canyon proporcionan un vínculo crucial para una región que
tiene una gran demanda tanto para fines sociales y comerciales. ¿Por qué cree mejoras y
actualizaciones a esta carretera eran tan importantes para la gente que vive en
Colorado? (Los puntos de
discusión: Proporcionar un acceso más rápido a las montañas, parques y zonas de
esquí para los turistas, residentes y trabajadores para completar el sistema de
carreteras interestatales de Estados Unidos, que permitan atravesar las
Montañas Rocosas para el comercio, la industria y el turismo..) Los ingenieros,
geólogos y otros profesionales diseñados y construidos de uno de la carretera
más singular se estira para acomodar dos carriles de tráfico en cada dirección
a través de la estrecha estrecho cañón cuidadosamente y cuidadosamente. ¿Qué dificultades podrían ingenieros
han enfrentado con este proyecto? ¿Qué
problemas puede este proyecto han encontrado durante la planificación y la
construcción? ¿Qué problemas
pueden haber surgido después de la finalización? (Los puntos de discusión:. Con
capacidad para el tráfico durante la construcción, los problemas continuos de
los cuellos de botella del túnel y adiciones de transporte público)
Figura 3 Un puente de piedra
arqueada con bases por debajo del agua.
derechos de autor
(Mientras observa Glenwood Canyon u
otras fotografías de puentes ...) ¿Cómo es un puente o edificio conectado a
tierra? (. Respuesta: Por
fundaciones) Las fundaciones son a menudo la parte más olvidada de un puente o
cualquier edificio, que es probablemente porque están fuera de la vista -
enterrados bajo tierra, oculto bajo una estructura, o por debajo del agua (ver
Figura 3). Sin embargo, el
fundamento de una estructura, un puente o edificio, es uno de sus componentes
más críticos. ¿Por qué es esto? ¿Por qué es algo que no se puede ver
tan importante? Bueno, si existe
una base pobre es muy difícil de reparar, mientras que la parte sobre el suelo
de una estructura puede ser más fácilmente modificado o reparado.
Figura 4. fundación casa
residencial hecha de hormigón vertido.
derechos de autor
Los ingenieros geotécnicos y
estructurales pasan por varios pasos para determinar la base correcta para una
estructura. Cuando se selecciona
un sitio para un edificio, puente o una casa, un sitio de investigación debe
llevarse a cabo antes de que comience la construcción. Los ingenieros geotécnicos examinan
las condiciones del suelo en el área para determinar los tipos y espesor de las
capas del suelo, la ubicación de las aguas subterráneas, y definir cualquier
preocupaciones ambientales de la zona. Cavan
o perforar en el suelo para obtener muestras de suelo para las pruebas y
análisis de laboratorio. Utilizan
esta información para desarrollar un perfil de suelo que se utiliza para
determinar los materiales y el diseño de la cimentación.
Figura 5. La Torre de Pisa en
Italia, un fallo de la fundación ampliamente reconocida.
derechos de autor
Hoy en día, las fundaciones son
generalmente hechas de hormigón o acero. Cimentaciones
superficiales, que son las fundaciones que no van más lejos en el suelo, pueden
incluir zapatas corridas, ampliaciones en la parte inferior de las columnas o
paredes que se extienden las cargas sobre un área suficientemente grande del
suelo, o losas de cimentación, básicamente, una muy grande zapata continua que
generalmente cubre toda la huella de la estructura, tal como un sótano. Las paredes que forman el sótano de
una casa a menudo el doble como fundamento de la casa (ver Figura 4). Si no hay sótano, puede estar seguro
de que una fundación todavía existe en alguna otra forma (por ejemplo, zapatas
o una losa de hormigón).
Algunas fundaciones van profundamente en
la tierra; a veces incluso más
profunda que la estructura es alto. Tipos
de cimentaciones profundas incluyen cajones, pozos perforados y pilotes. Los montones son los más utilizados
para puentes y están fabricados por unión de miembros delgados antes de tiempo
y forzándolos en el suelo con máquinas de gran alcance. cimientos del puente se hacen a menudo
de múltiples pilas, que parecen columnas circulares, y pueden ser de madera, de
acero o de hormigón armado.
¿Qué ocurre con el tamaño de una base
tal como un edificio o un puente se hace más grande? La base debe aumentar de tamaño. ¿Por qué? Un aumento en el tamaño de fundación
es necesario para soportar el peso añadido de un puente o edificio más grande. ¿Qué pasa si el edificio o puente
obtiene más alto? La base debe
profundizar más en el suelo. En
este caso, el aumento de la profundidad es necesario, porque si la estructura
no está anclado al suelo correctamente, podría derribar debido a su propio peso
(véase la Figura 5) o cargas pesadas tales como fuertes vientos o un terremoto.
Los ingenieros deben considerar muchas
otras cosas en el diseño de las bases de un puente o estructura. Deben pensar en el peso o la fuerza de
apoyo sobre el suelo de la parte inferior de la fundación, llamada la presión
de apoyo, para entender si el suelo puede soportar la estructura. También deben pensar en el
asentamiento de la estructura con el tiempo. ¿Alguna
vez ha visto algo que se ha hundido en la tierra con el tiempo? Bueno, eso puede pasar a los puentes,
así, si los cimientos no están diseñados adecuadamente.
Antecedentes lección y Conceptos para
Profesores
Para entender completamente las
fundaciones, un ingeniero debe entender varios conceptos: tipos de suelo y las
investigaciones, dos limitaciones para el diseño de bases (presión de soporte y
liquidación), y tipos de cimientos superficiales y profundas.
Tipos de suelo
y de Investigación
Cuando se selecciona un sitio para un
edificio, puente o una casa, un sitio de investigación debe llevarse a cabo
antes de que comience la construcción. Una
investigación del sitio examina las condiciones del suelo en la zona con el
objetivo de determinar las ubicaciones y espesor de las capas del suelo,
determinar la ubicación de la tabla de agua subterránea, recuperar muestras de
suelo para pruebas de laboratorio, y definir cualquier problema o preocupación. Un taladro grande en un camión realiza
subsuelo explorar y toma de muestras para proporcionar perforaciones de
exploración que se utilizan para determinar las propiedades del suelo y
desarrollar un perfil de suelo del sitio (véase la figura 6). Otros métodos de investigación
incluyen trincheras de excavación; esto
se hace cuando las condiciones del suelo son buenas o favorable y la fundación
de una estructura es a ser relativamente poco profundas. pruebas en el lugar (llamada prueba
in-situ) utiliza métodos que apenas perturban el suelo. Dos de los más populares in-situ los
métodos de ensayo incluyen ensayos de penetración estándar y pruebas de
penetración de cono; tanto
utilizar varillas delgadas para reunir muestras de suelo y la información.
Figura perfil del suelo 6. Ejemplo
obtenida de pozos exploratorios y los sondeos de una investigación del suelo
para un sitio en Taiwán.
derechos de autor
Limitaciones:
Diseño esté sometida a presión y Liquidación
En el diseño de una base, dos variables
deben ser revisados. El diseño de
la cimentación debe cumplir teniendo limitaciones de presión para el suelo, y
debe cumplir con los requisitos de solución admisibles para la estructura. diseño de la cimentación de un
ingeniero debe hacer frente a estos dos factores.
Teniendo presión es la fuerza de
contacto por unidad de área a lo largo de la parte inferior de una base (véase
la Figura 7). Los ingenieros
utilizan una simple ecuación para calcular la presión de apoyo que una
fundación ejerce sobre el suelo debajo de ella; presión de apoyo es la zona ÷ q =
fuerza. (Por simplicidad, estamos
ignorando el peso de la zapata y los efectos de la capa freática.) Presión de
apoyo se define como q en esta ecuación. La
fuerza es la carga que actúa sobre la base debido a la estructura que está
apoyando. El área es la parte
inferior de la base que está en contacto con el suelo. A menudo, este valor puede ser asumido
como la totalidad del área de la parte inferior de la base. El valor de la presión de apoyo no
debe exceder la capacidad de carga admisible del suelo o se producirá fallo.
Figura 7. presión de apoyo sobre
una base superficial.
derechos de autor
La liquidación es el movimiento vertical
descendente de la fundación. Este
movimiento hace que la estructura de moverse también verticalmente hacia abajo. Hay dos tipos de acuerdo son: la
liquidación ordinaria y asentamientos diferenciales. la liquidación ordinaria, a menudo
referida como solución justa, es cuando toda la cimentación o estructura se
mueve verticalmente hacia abajo a la misma distancia en todos los puntos. El asentamiento diferencial es cuando
las partes de la base o estructura se mueven verticalmente hacia abajo más
lejos que otros puntos. Por lo
tanto, el asentamiento diferencial crea un plano inclinado (una inclinación) en
una base o estructura. cálculos
de la liquidación son complejos (véase la sección Referencias para obtener más
información). Lo más importante a
saber es que la liquidación puede ocurrir y ocurre y es a menudo extremadamente
perjudicial para una estructura.
Cimientos
Cimentaciones superficiales y profundas
son tipos distintos y separados de las fundaciones, que difieren principalmente
en lo lejos que cada uno se extiende en el suelo. Sin embargo, hay otras diferencias,
también.
Cimentaciones superficiales no se
extienden muy lejos en el suelo. Más
importante que transmiten las cargas estructurales a los suelos cercanos a la
superficie. Tipos de
cimentaciones superficiales incluyen bases equilibrio y losas de cimentación,
que se utilizan típicamente para estructuras residenciales o cualquier
estructura con cargas ligeras extienden (véase la figura 8). zapatas, también conocidas como pie de
página o pie de soporte, son simplemente Ampliaciones en la parte inferior de
las columnas o paredes que se propagan las cargas estructurales aplicadas sobre
un área suficientemente grande del suelo. zapatas
corridas son, con mucho, el tipo más común de fundación debido a su bajo costo
y facilidad de construcción. Una
losa de cimentación es esencialmente una gran zapata continua que normalmente
cubre toda la huella de la estructura, tales como un sótano.
Figura 8. Debe visitar un sitio de
construcción en el momento adecuado para ver bases antes de que se rellenan con
tierra.
derechos de autor
Cimentaciones profundas se extienden a
una profundidad mayor que las fundaciones poco profundas. Más importante que transmiten las
cargas estructurales a los suelos que no son los suelos cercanos a la
superficie. Tipos de
cimentaciones profundas incluyen cajones, pozos perforados y pilotes. Caissons son cajas prefabricadas o
cilindros que están enterrados en el suelo a una profundidad deseada. pilotes perforados se construyen
mediante la perforación de un agujero cilíndrico delgado en el suelo, la
inserción de acero de refuerzo, y llenándolo con hormigón. Pilotes, más comúnmente utilizados
para puentes, se construyen mediante la prefabricación de miembros delgados y
conducir o forzándolos en el suelo con máquinas de gran alcance.
La transferencia de cargas de
cimentaciones profundas en el suelo es diferente de la de una cimentación
superficial. Cimentaciones
superficiales transfieren principalmente la carga al suelo a través de la
presión de apoyo. Cimentaciones
profundas transferir la mayor parte de la carga a través de la fricción a lo
largo de la longitud de la base, llamada fricción de la piel. Además, la fuerza que permanece en la
parte inferior de la cimentación profunda es transferido al suelo por cojinete
de presión. Para calcular la
carga máxima permitida para cualquier tipo de cimentación, los ingenieros
incluyen un factor de diseño de seguridad para ayudar a prevenir fallos
repentinos. Un factor más alto de
seguridad se utiliza para suelos que son difíciles de definir y para los que la
prueba es limitada.
Vocabulario / Definiciones
presión de apoyo: presión que actúa sobre el suelo debido
a la base y se aplica cargas de la estructura.
cimentación profunda: Fundamentos que se extienden
profundamente en la tierra. Tipos
de ejemplo: cajones, perforan pozos y pilotes.
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.
pila: un miembro cilíndrico martillado
verticalmente en el suelo para formar parte de una base profunda o muro de
contención.
cimentación superficial: Fundamentos que no se extienden
profundamente en la tierra. Ejemplo:
tipos Zapatas fundaciones (o pies de página o pie de soporte) y losas de
cimentación.
perfil del suelo: Una sucesión vertical de capas de
material natural que se encuentra por debajo del suelo en un sitio específico,
a menudo de la superficie del suelo a la roca madre. Un diagrama que muestra una sección
vertical del suelo, que representa los diversos tipos y profundidades de suelo
y roca de material presente.
Las actividades asociadas
- Cimentaciones superficiales y
profundas - Los
estudiantes toman un aspecto práctico en bases, incluyendo los conceptos
de presión de apoyo y liquidación. El
uso de modelos de madera que representan una base poco profunda y una base
de pelo largo, que observan los efectos en un banco de pruebas caja de
cartón compuesto por capas de guijarros, el suelo y la arena. También hacen cálculos de la
presión de apoyo y recomendaciones para qué tipo de fundaciones para su
uso en diversos escenarios de ingeniería.
Cierre lección
¿Qué es una fundación? (Respuesta: Una estructura que conecta
un puente o edificio al suelo de apoyo.) Piense en un puente, su casa, su
escuela u otra estructura. ¿Qué
tipo de fundación tiene? ¿Tiene
una base profunda o superficial? ¿Qué
tipos de cargas actúan sobre la estructura o puente? Para el mejor diseño, grandes cargas
requieren cimientos más profundos y cargas más ligeras requieren fundaciones
profundas. Por ejemplo, puentes
de carreteras requieren cimientos más profundos que los puentes peatonales. Estructuras, tales como su casa,
probablemente tienen una cimentación superficial también.
Los ingenieros deben considerar muchas
cosas en el diseño de las bases de un puente o estructura. ¿Cuáles son algunas de esas cosas? (Respuesta: Las consideraciones
incluyen las condiciones del suelo, las fuerzas que actúan sobre la fundación y
el suelo alrededor / debajo de ella, y los materiales de construcción.) Todas
estas cosas deben ser medidos, analizados y tenidos en cuenta en el diseño de
un puente que puede almacenar hasta su propio peso incluyendo el peso de los
coches o personas y otras cargas pesadas tales como fuertes vientos o un
terremoto.
Evaluación
Evaluación
pre-lección
Lluvia de ideas : Como clase, haga que los estudiantes
se involucran en la discusión abierta. Recordarles
que en la reunión de reflexión, ninguna idea o sugerencia es "tonto". Todas las ideas deben ser escuchadas
con respeto. Tomar una posición
acrítica, estimular ideas locas y desalentar la crítica de las ideas. Haga que los estudiantes levantan la
mano para responder. Escribir sus
ideas en la pizarra. Pide a los
estudiantes:
- ¿Cuáles
son las diferentes maneras en que un puente o edificio está conectado a
tierra?
Evaluación
post-Introducción
Votación : Haz una pregunta de verdadero / falso
y haga que los estudiantes voten por detienen los pulgares verdaderos y los
pulgares hacia abajo por falso. Contabilizar
los votos y escribir los totales en el tablero. Dar la respuesta correcta.
- Verdadero
o Falso: Por lo general, una base pobre se puede fijar fácilmente. (Respuesta: Falso Una mala
cimentación es a menudo irreparables.).
- Verdadero
o Falso: A veces, las fundaciones deben profundizar más en el suelo que es
una estructura de altura. (Respuesta:
Verdadero)
Evaluación
Resumen de la lección
Flashcards : Cada estudiante en un equipo crea una
tarjeta de memoria flash con una pregunta en un lado y la respuesta en el otro. Si el equipo no puede ponerse de
acuerdo sobre las respuestas, se debe consultar a la maestra. Pasar las tarjetas para el próximo
equipo. Cada miembro del equipo
lee una tarjeta de memoria flash, y todo el mundo intenta dar respuesta a la
misma. Si tienen razón, pueden
pasar en la tarjeta para el próximo equipo. Si
sienten que no tienen otra respuesta correcta, deben escribir su respuesta en
la parte posterior de la tarjeta de memoria flash como una alternativa. Una vez que todos los equipos han
hecho todas las tarjetas, aclarar cualquier duda. Preguntas y respuestas de la muestra:
- Q:
¿Cuáles son los métodos para las investigaciones del suelo? (Respuesta: Recopilar, analizar y
describir las muestras de suelo, determinar los niveles freáticos, note
ningún preocupaciones ambientales, tomar muestras del pozo, cavar
trincheras, desarrollar un perfil del suelo.)
- Q:
¿Cuáles son dos tipos de bases? ¿Cuáles
son las diferencias? (Respuesta:
Cimentaciones superficiales no se extienden muy lejos en el suelo
Cimentaciones profundas se extienden profundamente en la tierra.).
- Q:
¿Cuáles son las fundaciones hechas de? (Respuesta:
Por lo general, madera, hormigón o acero).
- Q:
¿Cuáles son los tipos de cimentaciones superficiales? Tipos de cimentaciones profundas? (Respuesta: Shallow fundaciones
pueden Zapatas fundaciones [o pies de página o pie] y losas de cimentación
Cimentaciones profundas pueden ser cajones, perforan pozos y pilas.).
- Q: ¿Por
qué es importante investigar las condiciones del suelo antes de diseñar un
puente o estructura? (Respuesta:
Por lo tanto, se ha diseñado y construido para funcionar de manera
confiable en esas condiciones.)
- Q: ¿Por
qué son tan importantes las fundaciones? (Respuesta:
Fundamentos conectan una estructura o puente al suelo y soportan la carga
del puente o estructura, por lo que no se mueve o se caen.)
- Q: ¿Qué
se lleva la presión? ¿Por
qué los ingenieros deben tener en cuenta que la hora de diseñar una
estructura? (Respuesta:
presión de apoyo es el peso o fuerza llevando abajo en el suelo de la
parte inferior de la fundación los ingenieros deben asegurarse de que el
suelo puede soportar la carga que será colocada en él.).
- Q: ¿Cuál
es la liquidación? ¿Hay
diferentes tipos? ¿Por qué
es importante? (Respuesta:
La liquidación es el movimiento vertical descendente de la fundación
Ingenieros hacen cálculos de la liquidación como parte de su diseño de la
cimentación, para evitar asentamientos de la estructura que se
produzcan.).
Discusión en clase : Haga que los estudiantes recuerdan el
ejemplo de la calzada Glenwood Canyon presentado en la introducción. Dirija una discusión sobre el
desarrollo de esta carretera cañón.
- ¿Qué
tipos de estructuras deben ingenieros de diseño para construir carreteras
en cañones de montaña estrechas? (Respuesta:
carreteras Curva, carreteras elevadas, puentes superpuestos, entradas del
túnel en suspensión, túneles, etc.)
- ¿Cuáles
son algunos retos para la construcción en un estrecho cañón de montaña? (Respuesta: No hay áreas abiertas
planas o rectas para superficies de carreteras, no hay espacio para calles
anchas, piedras en el camino, ríos en el camino, tratando de no destruir
el medio ambiente.)
- ¿Cuáles
son las razones por qué las personas quieren carreteras como las de Glenwood
Canyon? (Respuesta: Así
turistas, residentes y trabajadores pueden acceder a las montañas, ríos,
senderos, parques y centros turísticos, y para proveer de paso de la
carretera nacional para el comercio a larga distancia y los viajes.)
Actividades de Extensión de la lección
Asignar a los estudiantes a la
investigación de la fundación de la vivienda en la que viven y otro edificio. Llevar una pequeña discusión de los
resultados durante el próximo período de clase.
No hay comentarios:
Publicar un comentario