¿Cómo calcular una estructura? Nuevos planteamientos docentes

Esta obra se distribuye con la licencia Creative Commons Reconocimiento-NoComercial-SinObraDerivada 4.0 Internacional (CC BY-NC-ND 4.0.) ¿Cómo calcular una estructura? Nuevos planteamientos docentes Esperanza Rodríguez Mayorga Universidad de Sevilla Departamento de Estructuras de Edificación e Ingeniería del Terreno [email protected] D.O.I.: http://dx.doi.org/10.12795/JDU.2018.i01.36 Pp.: 637-654 Resumen La asignatura de Estructuras 1 es una de las más complejas de cuantas tendrán que afrontar los alumnos de primer curso del grado en Fundamentos de Arquitectura. En ella se dan los primeros pasos dentro del cálculo de estructuras, sentando las bases de esta disciplina. Es importante que adquieran esta competencia fundamental pues la usarán reiteradamente en los siguientes años de carrera. El ciclo de mejora que se recoge en este documento abarca fundamentalmente dos aspectos: la exploración de nuevas formas de docencia y la ligera ampliación o modificación del contenido de la asignatura establecido. El objeto de tal ampliación ha sido ajustar el proceso de cálculo de estructuras que se sigue en clase al proceso habitual que se sigue en la práctica profesional o que siguen los programas informáticos de cálculo (manejados además por los alumnos dentro de la misma asignatura). Palabras clave: Estructuras 1, Grado en Fundamentos de Arquitectura, Docencia Universitaria, Experimentación docente universitaria, Fundamentos del Diseño y Cálculo de Estructuras de Edificación. ¿Cómo calcular una estructura? Nuevos planteamientos docentes Esperanza Rodríguez Mayorga 638 Jornadas de Formación e Innovación Docente del Profesorado | Nº 1 (2018) Esta obra se distribuye con la licencia Creative Commons Reconocimiento-NoComercial-SinObraDerivada 4.0 Internacional (CC BY-NC-ND 4.0.) Contexto La asignatura Estructuras 1 se enmarca en un conjunto de tres asignaturas obligatorias impartidas en el Grado en Fundamentos de Arquitectura (Plan 2012, Escuela Técnica Superior de Arquitectura de Sevilla): Estructuras 1 (segundo semestre del primer curso), Estructuras 2 (primer semestre del tercer Curso) y Estructuras 3 (segundo semestre del cuarto curso). En estrecha relación se halla la asignatura de Física 1, impartida en el primer semestre del primer curso, que abarca temas procedimentales necesarios para la docencia de estructuras. Mientras que en Estructuras 1 se tratan los fundamentos del diseño y del cálculo estructural comunes a todos los sistemas (Torroja, 1957), Estructuras 2 se centra en estructuras de acero y Estructuras 3 en estructuras de hormigón. Las aulas donde se imparte la docencia cuentan con mobiliario formado por mesas y sillas no fijas, lo que permite realizar cambios en la disposición del mobiliario según necesidades. Los estudiantes cuentan con abundante material para el desarrollo de la asignatura: bibliografía de carácter general, bibliografía específica y un temario adaptado a sus posibilidades de comprensión. Además, como parte de esta mejora de la asignatura, se les ha proporcionado la normativa vigente y formularios comerciales de perfiles de acero normalizados. El número de alumnos por grupo es reducido, entre 25 y 30 alumnos, lo que da lugar a seis equipos de trabajo en cada uno de los grupos. Diseño del Ciclo de Mejora Docente El objetivo del ciclo de Mejora Docente era acercar al alumno a la problemática real que se le planteará a lo largo de su vida profesional, que es calcular una estructura, además de ser capaz de interpretar la normativa al respecto y aplicarla a dicho proceso. El diseño de la asignatura en su conjunto responde a acercar al alumno a un problema real, profesional, siguiendo las directrices documentadas en la bibliografía (Bain, 2007; Finkel, 2008; Giné ¿Cómo calcular una estructura? Nuevos planteamientos docentes Esperanza Rodríguez Mayorga 639 Jornadas de Formación e Innovación Docente del Profesorado | Nº 1 (2018) Esta obra se distribuye con la licencia Creative Commons Reconocimiento-NoComercial-SinObraDerivada 4.0 Internacional (CC BY-NC-ND 4.0.) Freixes, 2009; Meier, 2000). Concretamente, el ciclo de mejora se centra en las comprobaciones normativas (Código Técnico, 2006) a realizar a una estructura ya sean relativas a evitar el colapso de la estructura (Estados Límite Últimos, ELU) o a evitar situaciones que impidan el normal uso de la edificación (Estados Límite de Servicio, ELS). Mapa de contenidos El mapa de contenidos para este ciclo de mejora es, de hecho, el de la asignatura completa, pues la asignatura de Estructuras 1 presenta un esquema repetitivo en torno al proceso de cálculo de estructuras: diseño, cálculo y comprobación de una estructura isostática de una sola barra (vigueta); diseño, cálculo y comprobación de una estructura plana hiperestática de varias barras (vigueta continua y pórtico plano); diseño, cálculo y comprobación de una estructura espacial hiperestática de varias barras (edificio). Este proceso repetitivo va precedido de unas lecciones donde se trata el análisis de esfuerzos, herramienta indispensable y fundamental. El ciclo de mejora que aquí se describe se centra en las dos unidades centrales (diseño, cálculo y comprobación de viguetas isostáticas e hiperestáticas y pórticos). El mapa de contenidos se ha ido presentando a los alumnos poco a poco, es decir, se ha ido construyendo dentro de la propia clase. Inicialmente se planteó como algo muy simplificado, la sucesión de tres planteamientos: diseño, acciones o cargas y comprobaciones de ELU y ELS (Figura 1). Figura 1. Mapa conceptual inicial de la asignatura Estructuras 1 ¿Cómo calcular una estructura? Nuevos planteamientos docentes Esperanza Rodríguez Mayorga 640 Jornadas de Formación e Innovación Docente del Profesorado | Nº 1 (2018) Esta obra se distribuye con la licencia Creative Commons Reconocimiento-NoComercial-SinObraDerivada 4.0 Internacional (CC BY-NC-ND 4.0.) Los alumnos asimilaron esta sucesión perfectamente, pues es del todo lógica. Una vez los alumnos ya habían diseñado una estructura para un edificio real (edificios sencillos que presentan un nivel de dificultad muy bajo para diseñarles una estructura, escogidos antes de la primera semana de clase y asignados a cada grupo de alumnos) y le habían introducido las cargas definiendo sus hipótesis simples, se planteó la necesidad del primero de los conceptos fundamentales sobre el que versa la asignatura: los esfuerzos. De este modo, los esfuerzos surgieron como una necesidad, la herramienta necesaria para poder realizar las comprobaciones. La siguiente ampliación del mapa se produjo una vez los alumnos habían comprendido las dos formas posibles de colapso de las estructuras. De esta forma, el mapa conceptual se fue completando hasta llegar a su versión final (Figura 2). Figura 2. Mapa conceptual completo de la asignatura Estructuras 1. ¿Cómo calcular una estructura? Nuevos planteamientos docentes Esperanza Rodríguez Mayorga 641 Jornadas de Formación e Innovación Docente del Profesorado | Nº 1 (2018) Esta obra se distribuye con la licencia Creative Commons Reconocimiento-NoComercial-SinObraDerivada 4.0 Internacional (CC BY-NC-ND 4.0.) Modelo metodológico La metodología docente seguida en la asignatura es el Aprendizaje Basado en Problemas (ABP) (De Justo, 2013). El desarrollo habitual de una clase previa al ciclo de mejora objeto de esta comunicación seguiría el esquema de la figura 3 (De Alba y Porlán, 2017). Esto, de forma un poco más detallada, podría resumirse en que los alumnos antes del comienzo de la clase se han estudiado la teoría correspondiente al tema que se tratará. Además, han elaborado resúmenes que entregan y con los cuales el alumno podrá contar durante la realización de los controles de la asignatura. En clase se aclaran las dudas que hayan podido surgir del estudio individual y se plantea un problema para su aplicación. La realidad observada es que el alumno no es capaz de aplicar la teoría a la práctica, sino que es al contrario, inducen la teoría en lugar de deducir la práctica. Es por ello que el modelo metodológico al que se pretende llegar es aquel en el que una teoría ordenada y sistemática sea el fruto de las conclusiones obtenidas de la práctica y del debate entre los alumnos. Es decir, partiendo de breves nociones teóricas (las mínimas necesarias), los alumnos se enfrentan a un problema, para cuya resolución les faltan herramientas teóricas que deben buscar. A partir de la puesta en común dentro y fuera de su equipo de trabajo, obtienen unas conclusiones que constituyen la teoría (Figura 4). Este modelo presenta una problemática importante, que es la limitación temporal de que se dispone. Es por Figura 3. Modelo metodológico inicial de la asignatura Estructuras 1. Figura 4. Modelo metodológico ideal de la asignatura Estructuras 1. ¿Cómo calcular una estructura? Nuevos planteamientos docentes Esperanza Rodríguez Mayorga 642 Jornadas de Formación e Innovación Docente del Profesorado | Nº 1 (2018) Esta obra se distribuye con la licencia Creative Commons Reconocimiento-NoComercial-SinObraDerivada 4.0 Internacional (CC BY-NC-ND 4.0.) ello que determinadas actividades, como la puesta en común a nivel de toda la clase, se realiza en horario no presencial, sin ningún control por parte del profesor y sin ninguna seguridad de que se ha llevado a cabo correctamente. Este aspecto es claramente a mejorar. Cuestionario inicial-final Antes y después del ciclo de mejora que aquí se describe se pasó un cuestionario a rellenar por los estudiantes. Se invitó a los estudiantes a completarlo de manera individual y a identificarse en los mismos. Se plantearon tres cuestiones: 1. Las cargas teóricas sabemos que son de tres tipos: puntuales, lineales, y superficiales. Indica a que tipo teórico corresponde cada una de las siguientes acciones sobre la estructura (es decir, en 3D): a) La nieve: b) La sobrecarga de uso: c) Un cerramiento: d) La tabiquería: e) Un cartel publicitario soportado por dos perfiles y apoyado sobre la cubierta del edificio. 2. Dentro del proceso habitual de cálculo de una estructura, las combinaciones son situaciones de dimensionado posibles que ocurran. ¿En qué momento del dimensionado deben aplicarse? ¿En qué unidades se obtiene su resultado? 3. El paso “clave” dentro del dimensionado de la estructura es el paso de “esfuerzo” a “tensión”. Este paso implica un cambio en las unidades entre ambos conceptos. Indica, de manera aproximada, cómo se realiza este paso para cada uno de los esfuerzos que estamos tratando en el Módulo 2. ¿Cómo calcular una estructura? Nuevos planteamientos docentes Esperanza Rodríguez Mayorga 643 Jornadas de Formación e Innovación Docente del Profesorado | Nº 1 (2018) Esta obra se distribuye con la licencia Creative Commons Reconocimiento-NoComercial-SinObraDerivada 4.0 Internacional (CC BY-NC-ND 4.0.) Las tres preguntas estaban planteadas para dar respuesta a varias dudas. Por un lado, es necesario conocer el nivel del alumnado en términos de conocimiento, es decir, qué conceptos manejan y cuáles no, en resumen, qué saben. Por otro lado, hay otras características actitudinales y aptitudinales que es preciso conocer por parte del profesor (capacidad de abstracción, lógica matemática y comprensión de conceptos complejos). Los cuestionarios se pasaron antes y después de la realización de unas actividades en las que se trabajarían los contenidos conceptuales y actitudes y aptitudes que en el cuestionario se exploran. También se volvieron a pasar a final del curso. Los resultados extraídos se presentarán y analizarán en el apartado correspondiente. Aplicación del Ciclo de Mejora Docente Relato resumido de las sesiones En las sesiones correspondientes al ciclo de mejora se han realizado cuatro actividades. La duración aproximada de cada una de ellas ha sido de 2 horas en cada uno de los dos grupos en los que se ha realizado esta experiencia. Por tanto, el ciclo, de 8 horas, se experimentó dos veces. Presento a continuación las actividades desarrolladas. Actividad 1: Interpretación de la normativa vigente y aplicación a una vigueta isostática. La asignatura de Estructuras 1 versa sobre el análisis y dimensionado genérico de estructuras. Este análisis se realiza según el método de los Estados Límite recogido en el Código Técnico de la Edificación, normativa de obligado cumplimiento en España (Código Técnico, 2006). Sentido educativo de la actividad: Esta actividad tiene como objetivo que los alumnos se enfrenten por primera vez a una normativa real. Desde el punto de vista didáctico, ¿Cómo calcular una estructura? Nuevos planteamientos docentes Esperanza Rodríguez Mayorga 644 Jornadas de Formación e Innovación Docente del Profesorado | Nº 1 (2018) Esta obra se distribuye con la licencia Creative Commons Reconocimiento-NoComercial-SinObraDerivada 4.0 Internacional (CC BY-NC-ND 4.0.) trabajar con normativa implica una dificultad añadida a la de trabajar con textos adaptados. Esta actividad, además, les ayuda a controlar la nomenclatura específica en la que se están iniciando en este momento. Descripción detallada: La actividad se desarrolló en el aula en los mismos grupos de trabajo en los que los alumnos llevan trabajando durante todo el curso. Se siguieron los siguientes pasos dentro de la actividad: • Reparto en papel de las páginas de la normativa española sobre el método de los estados límite, concretamente del “Documento Básico Seguridad Estructural” (Código Técnico, 2006) y sobre el apartado donde se describen las “Verificaciones basadas en coeficientes parciales”, comúnmente conocidas como las “Combinaciones”. • Vagas aclaraciones por parte del profesor sobre la misma. • Lectura comprensiva de los alumnos del texto proporcionado. Se les insiste en que están haciendo algo real, lo que a algunos les sirve de motivación y a otros de lo contrario. Ninguno le encuentra correlación con el texto simplificado y adaptado que forma parte de la información que se les suministró a principios de curso, y que ya han estudiado y resumido en una sesión anterior. • Se comienza un debate a nivel de la clase, donde cada grupo de alumnos expone lo que ha entendido del texto que han leído. Entre todos, y con la orientación del profesor, se va llegando a la conclusión de cómo interpretar la norma, de complejidad elevada para ellos. • Se aplican las combinaciones a la práctica de curso en la que están trabajando en ese momento (vigueta biapoyada sometida exclusivamente a cargas verticales). • Exposición en la pizarra de cómo se aplicaría el método a una vigueta del tipo analizado. ¿Cómo calcular una estructura? Nuevos planteamientos docentes Esperanza Rodríguez Mayorga 645 Jornadas de Formación e Innovación Docente del Profesorado | Nº 1 (2018) Esta obra se distribuye con la licencia Creative Commons Reconocimiento-NoComercial-SinObraDerivada 4.0 Internacional (CC BY-NC-ND 4.0.) • Finalización de la actividad en horario no presencial, pues ningún grupo tiempo suficiente en las dos horas establecidas para concluir la actividad. Contenidos manejados: Los contenidos manejados en esta actividad se centran en la última parte del mapa conceptual de la asignatura (Figura 5). Se han trabajado las comprobaciones de Estados Límite Últimos y de Servicio (ELU y ELS) extrayéndolas de la normativa correspondiente. Figura 5. Contenidos trabajados en la primera actividad del segundo ciclo de mejora. ¿Cómo calcular una estructura? Nuevos planteamientos docentes Esperanza Rodríguez Mayorga 652 Jornadas de Formación e Innovación Docente del Profesorado | Nº 1 (2018) Esta obra se distribuye con la licencia Creative Commons Reconocimiento-NoComercial-SinObraDerivada 4.0 Internacional (CC BY-NC-ND 4.0.) Figura 6. Escaleras de aprendizaje sobre la capacidad de abstracción (arriba), lógica matemática (centro) y comprensión de conceptos complejos (abajo). ¿Cómo calcular una estructura? Nuevos planteamientos docentes Esperanza Rodríguez Mayorga 653 Jornadas de Formación e Innovación Docente del Profesorado | Nº 1 (2018) Esta obra se distribuye con la licencia Creative Commons Reconocimiento-NoComercial-SinObraDerivada 4.0 Internacional (CC BY-NC-ND 4.0.) Conclusiones: Evaluación del ciclo de mejora docente En líneas generales, el resultado de la aplicación del ciclo aquí descrito ha sido bastante satisfactorio. Los aspectos que han supuesto una clara mejora en la asignatura (el uso de la normativa vigente como material docente, el uso del diario del profesor como evaluación de los alumnos y de las clases, y la actividad 4, desarrollada para este ciclo de mejora, que ha producido resultados extraordinarios) se mantendrán para los cursos venideros. Igualmente, se seguirá fomentando capacidad de lectura, comprensión y lógica necesarias para el desarrollo de cualquier trabajo profesional. Por último, es importante reseñar que los tipos de metodologías “activas”, implican un esfuerzo por parte del profesor y del alumno. En ocasiones, esta inversión resulta poco gratificante. ¿Cómo calcular una estructura? Nuevos planteamientos docentes Esperanza Rodríguez Mayorga 654 Jornadas de Formación e Innovación Docente del Profesorado | Nº 1 (2018) Esta obra se distribuye con la licencia Creative Commons Reconocimiento-NoComercial-SinObraDerivada 4.0 Internacional (CC BY-NC-ND 4.0.) Referencias bibliográficas Arroyo Portero, J. C et al. (2009). Números gordos en el proyecto de estructuras. Edición corregida y ampliada. España: Cinter Divulgación Técnica. Bain, K. (2007). Lo que hacen los mejores profesores de universidad. Valencia: Universitat de Valencia, Servicio de Publicaciones. De Alba, N. y Porlán, R. (2017). La metodología de la enseñanza. En R. Porlán (Coord.), Enseñanza universitaria. Como mejorarla (pp. 37-53). Madrid: Morata. Dirección General de Arquitectura, Vivienda y Suelo, Ministerio de Fomento (2006). Código Técnico de la Edificación. Madrid: Instituto de Ciencias de la Construcción Eduardo Torroja, CSIC. https://www.codigotecnico.org/ © CYPE Ingenieros, S.A. (2018). http://cype3d.cype.es/ Finkel, D. (2008). Dar clase con la boca cerrada. Valencia: Universitat de Valencia, Servicio de Publicaciones. Giné Freixes, N. (2009). Como mejorar la docencia universitaria: el punto de vista del estudiantado. Revista Complutense de Educación, 20(1), 117-134. De Justo Moscardó, E. (2013). Diseño y Evaluación de un Programa para el Aprendizaje de Estructuras de Edificación Mediante ABP (Tesis Doctoral). Universidad de Sevilla, Sevilla. Meier, M. (2000). La caja negra. Journal of Materials Education, 22(4-6), 167-170. Rivero A. y Porlán, R. (2017). La evaluación de la enseñanza universitaria. En R. Porlán (Coord.), Enseñanza universitaria. Como mejorarla (pp. 37-53). Madrid: Morata. Torroja, E. (1957). Razón y ser de los tipos estructurales. Madrid: Consejo Superior de Investigaciones Científicas.