1.1 GUÍA PARA Elaborar Puente DE Espagueti PDF

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UPB Bucaramanga – Escuela de Ingeniería – Facultad de Ingeniería Mecánica LABORATORIO DE RESISTENCIA DE MATERIALESPROYECTO DE FIN DE SEMESTRE:DISEÑO, FABRICACIÓN Y PRUEBA DE UN PUENTE DE ESPAGUETIS - GUIARevisión 01: Para uso de estudiantes Elaboró: Gustavo Navia - Fecha emisión: 12 marzo 2015CONTEN...

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Página 1 de 12 UPB Bucaramanga – Escuela de Ingeniería – Facultad de Ingeniería Mecánica LABORATORIO DE RESISTENCIA DE MATERIALES

PROYECTO DE FIN DE SEMESTRE: DISEÑO, FABRICACIÓN Y PRUEBA DE UN PUENTE DE ESPAGUETIS - GUIA Revisión 01: Para uso de estudiantes Elaboró: Gustavo Navia - Fecha emisión: 12 marzo 2015

CONTENIDO 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14

Pàg. OBJETIVO GENERAL…....................................................... 1 COMPETENCIAS A DESARROLLAR ................................ 1 DEFINICIONES O GLOSARIO............................................. 1 METODO Y MATERIALES .................................................. 4 DATOS Y RESULTADOS ................................................... 11 PREGUNTAS ADICIONALES ............................................ 11 INFORME……………….. ................................................... 11 POSTER………………….. .................................................. 11 FORMA DE EVALUAR PRUEBA DE CARGA ................ 12 RECOMENDACIONES………. .......................................... 12 NORMAS TECNICAS APLICABLES ................................ 12 REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS .................................. 12 TABLAS PARA DATOS Y RESULTADOS ...................... 12 ANEXOS DE LA GUIA………. .......................................... 12

1 OBJETIVO GENERAL Diseñar, fabricar y probar un modelo de puente de espagueti que soporte una carga única concentrada en la mitad de su luz durante al menos 10 segundos, y tenga la mayor relación carga a peso total. Esto deberá hacerse según especificaciones, procedimientos y forma de evaluar contenidos en esta guía. 2 COMPETENCIAS A DESARROLLAR El proyecto pretende promover el desarrollo de competencias genéricas [1]. Estas competencias y sus capacidades asociadas se relacionan y clasifican en la Tabla 1. Tabla 1. Competencias genéricas a desarrollar con el proyecto Competencias Capacidades asociadas 1. Identificar, formular y resolver problemas Técnicas de Ingeniería 2. Gestionar, planear, organizar, programar, ejecutar y controlar proyectos de Ingeniería 3. Manejar e implementar información de campo (mediciones y ensayos) 4. Usar técnicas, equipos y herramientas de manera efectiva 5. Generar desarrollos y/o innovaciones técnicas al trabajar con materiales no convencionales 6. Administrar y manejar materiales, equipos y herramientas Sociales, 7. Trabajar en equipo políticas y 8. Comunicarse de manera efectiva actitudinales 9. Actuar en forma ética y responsable 10. Comprometerse con la calidad del trabajo realizado 11. Aprender de manera continua 12. Actuar con espíritu emprendedor 3 DEFINICIONES O GLOSARIO Para el proyecto se usarán definiciones adaptadas de la literatura técnica y/o las referencias bibliográficas, que en orden alfabético, son como siguen. Armadura. Uno de los tipos más importantes de estructuras que proporciona solución práctica y económica a muchos problemas de Ingeniería especialmente en el diseño de puentes, edificios, vehículos y máquinas de elevación y transporte (por ejemplo: grúas y puente-grúas). Se compone de miembros o elementos

estructurales rectos (o barras) conectados entre sí mediante nodos (uniones, o juntas). Ver Figura 1 (Ver p. 200-201 de [2]). Cercha. Sinónimo de armadura, aplicada especialmente a armaduras para techos y pisos. Figura 1. Armaduras o cerchas

Atiesador para unir con otra armadura

Nodo con elemento de unión o cartela Elemento estructural o barra

Elemento de unión o cartela Perno o remache Soporte móvil o deslizante

Soporte fijo o anclado

Carga máxima

P máx

Accesorio de carga Perno o pasador

Competencias. Capacidades desarrolladas a través de la educación que conducen a la persona a realizar autónoma, responsable y exitosamente múltiples acciones para resolver las situaciones de la vida dentro de un contexto específico, cambiante y competitivo. Se fundamentan en un saber profundo, no sólo para saber qué y cómo hacerlo, sino también en saber ser persona [1]. Construir. (1) Edificar una obra de ingeniería, arquitectura o albañilería. (2) Realizar algo inmaterial siguiendo un plan y utilizando ordenadamente los elementos de que consta. Diseñar (en Ingeniería). Generar y evaluar sistemáticamente especificaciones de organizaciones, procesos, métodos, objetos, productos, o servicios; cuyas formas y funciones alcanzan objetivos establecidos dentro de restricciones y limitaciones de tiempo, dinero, impacto social e impacto ambiental. Esfuerzo en un material ( ). Intensidad y dirección de las fuerzas internas que actúan en un punto dado sobre un plano particular. Se calcula por: (1) 𝜎𝑝𝑟𝑜𝑚 = 𝐹 ⁄𝐴 donde F es fuerza normal distribuida uniformemente sobre la parte, y A es el área de la sección transversal de la parte. Especificaciones técnicas. Parámetros cualitativos o cuantitativos traducción de los objetivos de un proyecto, que se

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Página 2 de 12 UPB Bucaramanga – Escuela de Ingeniería – Facultad de Ingeniería Mecánica Laboratorio de Resistencia de Materiales Proyecto de fin de semestre: Diseño, Construcción y Prueba de un Puente de Espaguetis – Guía — Rev. 01 usan para describir y controlar ejecución del proyecto o el alcance de los trabajos. Se establecen según restricciones y limitaciones del proyecto; y tienen significado según contexto técnico, administrativo, económico, financiero, legal, social y ambiental del proyecto. Existen cuatro tipos de especificaciones técnicas, así: 1) Especificaciones prescriptivas: establecen atributos a satisfacer por el objeto o servicio; 2) Especificaciones procedimentales: identifican métodos específicos para calcular u obtener atributos y/o comportamiento del objeto o servicio; 3) Especificaciones funcionales: establecen que debe realizar o hacer el objeto / servicio; y, 4) Especificaciones de desempeño: caracterizan nivel del comportamiento deseado del objeto o servicio. Espagueti o spaghetti. Pasta alimenticia de harina en forma de cilindros macizos, largos y delgados, más gruesos que los fideos. Como las otras pastas alimenticias, el espagueti se hace de trigo molido y agua. El “spaghetti italiano” se elabora de sémola o semolina de trigo duro, pero en otros lugares se hace con otros tipos de harina (de trigo sarraceno y/o de arroz). Originalmente el espagueti era notablemente largo, pero las longitudes más cortas ganaron popularidad durante la segunda mitad del siglo XX, y ahora el espagueti está disponible comúnmente en longitudes de 25 a 30 cm (10 a 12 pulgadas). Fabricar. (1) Hacer un producto a partir de la combinación de sus componentes, especialmente cuando se realiza en serie y por medio de máquinas. (2) Construir o hacer manualmente una cosa. (3) Elaborar o producir una sustancia Factor de seguridad (𝑓𝑠 ). Factor que se usa como seguro contra condiciones inciertas o desconocidas en el diseño de Ingeniería. Se calcula como:

𝑓𝑠 = 𝜎𝑎𝑑𝑚 ⁄ 𝜎𝑑𝑖𝑠 > 1,0 ∴ → 𝜎𝑑𝑖𝑠 = 𝜎𝑎𝑑𝑚 ⁄𝑓𝑠 ∀ 𝑆𝑢 > 𝑆𝑦 > 𝜎𝑎𝑑𝑚

(2) (3)

donde 𝜎𝑎𝑑𝑚 es el esfuerzo admisible (o permisible), 𝜎𝑑𝑖𝑠 es el esfuerzo de diseño, 𝑆𝑢 es la resistencia última o mayor obtenida de ensayos de tensión, y 𝑆𝑦 es la resistencia en el límite elástico o límite proporcional obtenida también de ensayos de tensión. Si 𝑓𝑠 < 1,0 el diseño será inadecuado y deberá rediseñarse. Algunas veces, el 𝑓𝑠 y el 𝜎𝑎𝑑𝑚 los establecen normas técnicas de industria, normas técnicas nacionales y/o internacionales, códigos de diseño nacionales y/o internacionales, y/o criterios de diseño para cada proyecto; pero usualmente se escoge según experiencia del diseñador. Factor de seguridad según el Método de Pusley. Este método permite un rango 1,10 < fs < 6,32, donde el valor de fs se establece al cuantificar la característica de mb = muy bien; b = bien; r = regular; y, p = pobre, de las siguientes condiciones para el diseño: A = Calidad de materiales, operación, mantenimiento e inspección; B = Control sobre la carga aplicada; C = Exactitud en el análisis de esfuerzos, la información experimental o la experiencia en diseños similares; D = Peligro para el personal; y, E = Impacto económico. De acuerdo a lo anterior, se tiene que:  Un factor de seguridad bajo estará en el rango de 1,10 < fs < 2,80 y se aplica para condiciones de excelentes a buenas, con peligro para el personal e impacto económico de no serios a muy serios.  Un factor de seguridad medio estará en el rango de 2,70 < fs < 4,32 y se aplica para condiciones regulares, con peligro para el personal e impacto económico de no serios a muy serios.  Un factor de seguridad alto estará en el rango 3,95 < fs < 6,32 y se aplica para condiciones pobres, con peligro para el personal e impacto económico de no serios a muy serios.

El rango alto del fs se aplica cuando la incertidumbre es grande sobre las características de las condiciones para el diseño; o, cuando las consecuencias del fracaso son altas. La incertidumbre puede ser resultado de vacíos en la teoría, falta de experiencia, o la dependencia de suposiciones (ver p. 9 de [3]). Flexión. Deformación que presenta un miembro o elemento estructural alargado en una dirección perpendicular a su eje longitudinal. El término "alargado" se aplica cuando una dimensión es dominante frente a las otras. Un caso típico son las vigas que se diseñan para soportar principalmente flexión. El concepto de flexión se aplica también en elementos estructurales planos o superficiales como placas y láminas. El rasgo más destacado de un cuerpo sometido a flexión es que presenta una superficie de puntos llamada fibra neutra tal que la distancia a lo largo de cualquier curva contenida en ella no varía con respecto al valor antes de la deformación. El esfuerzo que provoca la flexión se denomina esfuerzo flector. Fuerza de compresión (Fc). Par de fuerzas opuestas que actúan sobre una dirección paralelo o axial al eje longitudinal de un miembro o elemento estructural alargado que tienden a acortarlo en esa misma dirección. El término "alargado" se aplica cuando una dimensión domina sobre las otras; por ejemplo, las columnas delgadas o esbeltas que se diseñan para soportar fuerzas de compresión sin pandeo (curva o flexión). Fuerza de tensión o tracción (Ft). Par de fuerzas opuestas que actúan sobre una dirección paralelo o axial al eje longitudinal de un miembro o elemento estructural que tienden a alargarlo en esa misma dirección. Memorias de cálculo. Documento complementario que presenta detalles acerca de cómo se hicieron los cálculos para determinar los resultados presentados y discutidos en el cuerpo de un informe de un diseño de Ingeniería. Este documento permite que el cuerpo del informe enfatice sobre interpretación y significado de los resultados sin anegar al lector con detalles de largos cálculos. El cuerpo del informe referencia estas memorias, de modo que el lector que desee conocer cómo se hizo un determinado cálculo, pueda consultar rápidamente la apropiada memoria. Adicionalmente, las memorias de cálculo sirven para documentar las razones de las decisiones tomadas al adoptar una determinada solución entre varias alternativas. El método de desarrollo de las memorias se adapta a la modalidad del proyecto o trabajo. Cada memoria parte de ciertos datos, y se orienta a obtener ciertos resultados, o demostrar que ciertas adopciones son adecuadas. Las memorias deberán ser claras y concisas y contener al menos: 1) Objetivo (o uso); alcance (o caso); 2) Hipótesis o premisas, criterios de cálculo (o código de diseño), 3) Desarrollo del cálculo; y, 4) Conclusiones. Las memorias de cálculo deberán complementarse con gráficos o dibujos que muestren aspectos típicos del objetivo. Los gráficos deberán ser claros y esquemáticos (simples o simplificados) Método. Procedimiento sistemático, válido y confiable para lograr con perfección un objetivo Módulo de elasticidad, o módulo de Young (E). Parámetro que caracteriza el comportamiento de un material o parte según la dirección en la que se aplica una fuerza. Este comportamiento fue observado y estudiado por el científico inglés Thomas Young. Se calcula como: 𝐸 = 𝜎⁄𝜀 → 𝐸 = 𝐹 𝐿 ⁄𝐴 𝛿 ∴→ 𝛿 = 𝐹 𝐿 ⁄𝐴 𝐸 (4) donde σ = F/A es el esfuerzo; F es fuerza normal distribuida uniformemente sobre el material o parte, A es el área de la sección transversal del material o parte; ε = L / δ es la

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Página 3 de 12 UPB Bucaramanga – Escuela de Ingeniería – Facultad de Ingeniería Mecánica Laboratorio de Resistencia de Materiales Proyecto de fin de semestre: Diseño, Construcción y Prueba de un Puente de Espaguetis – Guía — Rev. 01 deformación unitaria; δ = ε L es la deformación total; y, L es la longitud total de l material o parte sometido a la deformación total δ. Momento de inercia alrededor del eje xx (I x). Es el segundo momento de área alrededor del eje xx. Se calcula de: 𝐼𝑥 = ∫ 𝑦 2 𝑑𝐴 (5) Donde y es la distancia al eje xx de cada elemento de área dA. Montaje. Acción de armar y/o colocar en sitio de operación una máquina o equipo Pandeo. Curva o flexión que se produce en la mitad de un elemento estructural alargado debido a la acción de fuerza de compresión. Pasta alimenticia. Masa preparada con harina, agua, sal y otros ingredientes, con la que se hacen fideos espaguetis, tallarines, macarrones, canelones, raviolis, etc. Poster (o cartel). Es un pedazo de papel impreso diseñado para colocar sobre una pared o superficie vertical. Típicamente incluye textos y gráficos, aunque puede ser solo texto o solo gráficos, pero en general, se elabora y coloca para que sea llamativo e informativo. Se usa para muchos fines, como anuncio de eventos, conciertos, y películas, y para publicidad de productos y/o servicios. En el mundo académico, se utiliza para promover y explicar trabajos de docencia, investigación y extensión. Típicamente se muestran durante una reunión, como un complemento a una conferencia o charla, un informe, o un artículo científico; o, como una publicación. Son de menor importancia que las conferencias o los artículos, pero pueden ser una buena introducción a un nuevo trabajo académico antes de publicarse. Se considera como “literatura académica gris” o literatura académica no publicada formalmente. Muy a menudo, los pares académicos no observan y leen un poster, pero al aceptarse para una presentación de posters y colocarlo significa que alguno de los pares lo vea, lo lea y se interese en el trabajo presentado. (Ver Anexo 4. Guía para elaborar poster). Procedimiento. Operaciones planeadas ejecutadas en orden una tras otra, y documentadas para efectos de aprobación y/o verificación Proyecto (de Ingeniería). Actividad eventual y temporal con claros objetivos y con resultados prácticos requeridos dentro de restricciones de tiempo, dinero, impacto social e impacto ambiental. Pueden clasificarse en proyectos de diseño, construcción, implementación, puesta en operación, evaluación, mantenimiento y rehabilitación. Probar. Examinar, ensayar o experimentar algo, para saber cómo resultará en su forma definitiva. Puente. Construcción de piedra, ladrillo, madera, acero, hormigón, etc., que se construye y forma sobre ríos, fosos y otros sitios, para que personas y/o vehículos puedan pasar (ver Figuras 2 a 4 y p. 200-201 de [2]). Puente de espagueti. Modelo de puente a pequeña escala (maqueta) hecho de espagueti u otra pasta alimenticias dura, seca y recta; que se construyen para experimentos educativos y competiciones. El objetivo es generalmente construir un puente con una cantidad determinada de materiales sobre una luz específica y que puede soportar una carga concentrada en la mitad de la luz, durante un tiempo determinado. En las competiciones, el puente que pueda sostener la mayor carga durante un corto periodo de tiempo gana el concurso. Hay muchos concursos alrededor del mundo, generalmente llevada a cabo por escuelas y facultades de ingeniería (ver [4] a [7]).

Figura 2. Puente de acero con armaduras laterales Tensores superiores Cordón superior Riosta superior Riosta de portal Tensores de portal Poste terminal Poste vertical

Poste Viga de piso vertical Viga de final de piso

Tensores inferiores

Losa Diagonal de piso Cordón inferior

Figura 3. Armadura lateral de un puente de acero Poste terminal

Cordón superior

Diagonal

Poste vertical

Losa de piso o de vía

Poste vertical

Cordón inferior Soporte

Figura 4. Armaduras típicas para puentes de acero

Rendimiento. Producto o beneficio que da un equipo Resistencia de un material (S). Capacidad de resistir la acción de las fuerzas aplicadas sobre el mismo, sin deformarse, o deformándose dentro del límite elástico. Depende de: 1) Clase, tratamiento y geometría del material; 2) Naturaleza de las fuerzas aplicadas (compresión, tensión, flexión, y combinadas); y, 3) Clase de esfuerzos inducidos. La resistencia en el límite elástico (Sy ) es un importante criterio de la resistencia de un material, porque un material que se deforma más allá de su límite elástico pierde casi siempre su utilidad. La resistencia a la rotura (Sr) es otro importante criterio de la resistencia de un material, porque un material que se rompe pierde siempre su utilidad. Riostra. Miembro o elemento estructural diseñado para resistir fuerzas axiales de tensión y/o compresión: Se fabrica normalmente de perfiles de acero de calidad media. Se utiliza entre armaduras para asegura la invariabilidad de forma de una estructura. Sémola de trigo. Producto obtenido de la molienda, en las primeras etapas de trituración y tamizado del trigo. Semolato de trigo. Producto elaborado con granos de trigo por medio de procedimientos de trituración o molienda en los que se separa la mayor parte del salvado y del germen y el resto se muele hasta darle un grano adecuado de finura. Software Bridge Designer. Software libre para el diseño preliminar de armaduras bidimensionales para puentes.

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Página 4 de 12 UPB Bucaramanga – Escuela de Ingeniería – Facultad de Ingeniería Mecánica Laboratorio de Resistencia de Materiales Proyecto de fin de semestre: Diseño, Construcción y Prueba de un Puente de Espaguetis – Guía — Rev. 01 Elaborado para fines educativos por la John Hopkins University (JHU), Baltimore, Maryland, EE. UU., y que está disponible de: http://pages.jh.edu/~virtlab/bridge/truss.htm. Este software sólo funciona para armaduras bidimensionales estáticamente determinadas y estables, y para calcular solo las fuerzas de tensión y compresión en los miembros o elementos estructurales de la armadura. Ver Anexo 3. Bridge Designer - Tutorial Básico. Técnica. (1) Procedimiento particular independiente o dependiente de un método. (2) Manera de instrumentar un método. (3) Habilidad de utilizar un procedimiento. Tensor. Miembro o elemento estructural diseñado para resistir fuerzas axiales de tensión. Se fabrica normalmente de acero o cables de acero de alta resistencia. Se utiliza entre armaduras para evitar que éstas se vuelquen, y generalmente en su extremo tienen una rótula que impide la transmisión del momento flector a la otra estructura contigua. 4 METODO Y MATERIALES 4.1 METODO El proyecto consiste en diseñar, fabricar y probar un modelo de puente de espagueti que soporte una carga única concentrada en la mitad de su luz durante al menos 10 segundos, y tenga la mayor relación carga a peso total. Esto deberá hacerse según actividades a realizar, personal requerido, y especificaciones técnicas que se consignan a continuación. Toda la asistencia o asesoramiento del profesor está contenida en este documento. Otros profesores, miembros de la familia y amigos podrán proporcionen ayuda, verbal o de otro tipo. Cambios o aclaraciones de especificaciones se proporcionará como lo estime el profesor para efectos del diseño, construcción y pruebas de cada puente; o por juez o jueces en la prueba. Las decisiones del juez o de los jueces serán inapelables en todos los asuntos. 4.2 ACTIVIDADES A REALIZAR 1) Leer y estudiar la guía del proyecto que está disponible en la papelería del K-105 para fotocop...