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149INCORPORACIÓN DEL DR. ING. RICARDO DANIEL AMBROSINI

II. INCORPORACIONES

B. ACADÉMICOS CORRESPONDIENTESNACIONALES

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INCORPORACIÓN DEL DR. ING. RICARDO DANIEL AMBROSINICOMO ACADÉMICO CORRESPONDIENTE EN MENDOZA

29 de julio de 2010

I. Palabras de apertura a cargo del señor Presidente de la Academia Na-cional de Ingeniería, Ing. Oscar A. Vardé.

II. Palabras de presentación del Dr. Ing. Ricardo Daniel Ambrosini a car-go del señor Presidente Honorario de la Academia Nacional de Ingeniería, Ing. Arturo J. Bignoli.

III. Conferencia del Dr. Ing. Ricardo Daniel Ambrosini sobre el tema: “Ac-ciones extremas y daño estructural”.

Anales Acad. Nac. de Ing. Buenos Aires, Tomo VI (2010): pp. 151 - 183

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INCORPORACIÓN DEL DR. ING. RICARDO DANIEL AMBROSINICOMO ACADÉMICO CORRESPONDIENTE

EN MENDOZA

29 de julio de 2010

Palabras de apertura a cargo del señor Presidente de la Academia Nacional de Ingeniería, Ing. Oscar A. Vardé

Académicos, Autoridades presentes, señoras y señores:La Sesión Pública Extraordinaria que hoy nos reúne tiene el grato objeti-

vo de formalizar la incorporación del Dr. Ing. Ricardo Daniel Ambrosini como Miembro Correspondiente en Mendoza, de esta Academia Nacional.

El Dr. Ing. Ambrosini ha sido el primer egresado de la carrera de Ingenie-ría Civil de la Universidad Nacional de Cuyo y su trayectoria profesional es bien conocida por todos nosotros, por cuanto ha recibido anteriormente mere-cidos honores de esta Academia, en forma de premios, en los años 2001 y 2005. Como ingeniero estructural, se ha dedicado, muy especialmente, a analizar las causas del daño estructural por acciones extremas que son difíciles de mode-lar, tema que presenta extraordinarias dificultades.

Como estaba previsto, su presentación debería ser realizada por uno de sus excelentes maestros, el Dr. Ing. Rodolfo Francisco Danesi, pero que en vir-tud de una momentánea dolencia que lo aqueja no podrá estar presente. Por ello dichas palabras de presentación estarán a cargo del Presidente Honorario de la Academia Nacional de Ingeniería, Ing. Arturo J. Bignoli.

Previamente me complace enormemente, en nombre de esta Academia, proceder a la entrega del diploma y la medalla que acreditan, al Dr. Ing. Ricar-do Daniel Ambrosini, su condición de Miembro Correspondiente en Mendoza.

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Palabras de presentación del Dr. Ing. Ricardo Daniel Ambrosini,a cargo del señor Presidente Honorario de la Academia Nacionalde Ingeniería, Ing. Arturo J. Bignoli

Un joven Doctor en Ingeniería se incorpora, como Académico Correspon-diente en Mendoza, a nuestra Academia Nacional de Ingeniería. Es Ricardo Daniel Ambrosini, elegido por voluntad de sus pares el año pasado, cuando tenía sólo 47 años de edad. Es casi coetáneo, un poco mayor, que la Academia, que también es muy joven.

Hoy, este brillante discípulo de nuestro Miembro Titular, Dr. Ing. Rodol-fo Francisco Danesi, alcanza la dignidad académica. A Rodolfo le corresponde el gozoso honor de presentarlo, como dicen las invitaciones que ustedes reci-bieron, pero un imprevisto problema de salud que ya ha superado y está en recuperación, le impide hacerlo. En representación de él, aquí está su hijo, In-geniero Rodolfo José Danesi. Me solicitó a mí que lo haga y acepté, con autori-zación de nuestro Presidente, Ing. Oscar Vardé, y con la alegría de que ya esté recuperándose.

Daniel ya subió a este estrado a recibir honores otorgados por esta Acade-mia: en el año 2001 obtuvo el Premio Antonio Marín, para menores de 40 años y en 2005 el Premio Luis A. Huergo. En la primera oportunidad disertó sobre “Acciones dinámicas y daño estructural” y en la segunda se refirió a “Control de vibraciones en estructuras civiles”; recordemos que la variación de las vi-braciones es un claro índice del daño de la estructura. Hoy Daniel se referirá a “Acciones extremas y daño estructural”, lo que nuestros colegas españoles denominan muy expresivamente como condiciones o circunstancias pésimas, nada peor es imaginable, mecánicamente...

Acciones extremas pueden ser los movimientos sísmicos, explosiones o im-plosiones de cualquier tipo, ya sean naturales o antrópicas. Todas dañan a las estructuras, pudiendo ser las vibraciones estructurales un estado intermedio para alcanzar daños de diversa importancia.

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Con lo dicho se ve claro que en el pensamiento de Daniel, como ingeniero estructural, ocupa, desde hace tiempo, un lugar preponderante el daño estruc-tural provocado por acciones extremas, difíciles de modelar, especialmente las explosiones provocadas por artefactos dirigidos por el hombre, a veces coman-dados a distancia, que cada vez son más frecuentes y provocan más muertes y daños materiales.

Son consideradas por algunos descarriados como formas de expresión vá-lida para el reclamo de sus derechos, aun de sus derechos humanos. ¡Parece que el género humano está perdiendo la sensatez!

Si consideramos que Daniel tuvo destacada e intensa actuación en un grupo de expertos, bajo la dirección de Rodolfo Danesi y otros dos Miembros de esta Academia, el Académico Ingeniero Alberto Puppo y quien les habla, por especial pedido de la Suprema Corte de Justicia de la Nación, en el estudio del atentado con explosivos a la Embajada de Israel y luego en forma directa, con la sola dirección de Danesi, por un Tribunal de Justicia, en el tan sonado caso de la AMIA, que también fue un atentado con explosivos. Ambos atentados con gran cantidad de muertos y heridos y daños materiales de elevado valor económico, no cabe duda que originaron los estudios teóricos y experimentales que fueron publicados dentro y fuera del país por el equipo que integró Daniel, que aparecen en su C.V. y que le han dado fama internacional, por la gran cantidad de citas bibliográficas que merecieron. También, sin duda, la consi-deración de estos dos hechos terribles, con los que tuvo contacto directo, esti-mularon sus pensamientos ingenieriles y fueron dando lugar a una creciente experiencia como ingeniero, que lo transformaron en ingeniero experto en esta clase de lamentables acontecimientos. Esto significa que los barruntos de poca credibilidad, que su voluntad debía aceptar con violencia para su inteligencia, digamos hace una década, ahora se han transformado en las intuiciones pro-pias de un experto ingeniero, sustentadas por un científi co. Porque, sin duda, Daniel es un experto ingeniero y un brillante científi co a la vez. Más aproxima-ción al siempre incierto entendimiento de la realidad, no puede pretenderse.

La Academia Nacional de Ingeniería establece en el artículo 5° de su Es-tatuto las siguientes condiciones para ser miembro de la misma:a) Poseer título de ingeniero (en cualquier especialidad).

Además, haberse destacado en alguna o algunas de las siguientes activi-dades, en relación con la Ingeniería:

b) Investigación en Ciencia o Tecnología.c) Desempeño de una Cátedra universitaria.d) Publicar trabajos de Ciencia o Tecnología.e) Ejercer la profesión de ingeniero.


Se trata de una unión múltiple optativa, de allí lo de “alguna o algunas”; pero agrega a continuación la intersección con una condición adicional:

f) “Y gozar además, de concepto público de honorabilidad intachable”. Esta condición es tan necesaria, que no puede compensarse con el cumplimiento de todas las anteriores. En efecto, las intersecciones con un conjunto vacío son vacías, siempre, es decir que los Académicos de Ingeniería deben ser personas intachables, personas honorables.

Pero los Académicos de Ingeniería pretendemos algo más, al elegir un nuevo miembro de nuestra Academia, pretendemos que sea una persona bue-na, de buenos sentimientos, capaz de amar al prójimo. Elegimos con cabeza fría y corazón caliente.

Daniel es un ingeniero civil brillante, el primer egresado con tal título en la Universidad Nacional de Cuyo. Ha llegado a ser, gracias a los talentos que Dios le confió y él incrementó con su trabajo bien realizado, de acuerdo con el mandato bíblico, un experto ingeniero estructural. Además, ha realiza-do importantes investigaciones, científicas, tecnológicas y técnicas, luego es un destacado investigador (Investigador Independiente del CONICET), cuyos numerosos trabajos forman parte de gran cantidad de citas bibliográficas en revistas nacionales e internacionales.

Además, ejerce la docencia como Profesor Titular, por concurso, en la Universidad Nacional de Cuyo, donde también es Director de la Maestría en Ingeniería Estructural. También ha dictado y dicta clases en numerosas Uni-versidades de nuestro país y fuera de él, que lo invitan con tal fin.

Todas estas actividades, cuyos destacados resultados ofrece a Dios, lo transforman en un buen ejemplo para sus hijos y alumnos. Digo esto con cer-teza, pues cuando tuve la suerte de que fuera mi alumno en la Universidad Nacional de Tucumán, tuve oportunidad de cambiar ideas con el sobre temas espirituales y coincidir en admirar con devoción a San Agustín.

Su santa mujer (todas las esposas de ingenieros estructurales son santas, según dicen ellas mismas) le ha dado numerosos hijos, uno de los cuales ha resuelto entregar su vida a Dios y ya es seminarista.

Daniel cumple con exceso todo lo que la Academia Nacional de Ingeniería pide para ser elegido miembro de la misma.

Nadie vino hoy a este acto de incorporación para ser convencido de que es así, sin duda alguna. Todos los presentes hemos venido a compartir nuestra alegría, la de todos por este nuevo reconocimiento de las excepcionales aptitu-des de Daniel y la recuperación de su maestro, Rodolfo Francisco Danesi.

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ACCIONES EXTREMAS Y DAÑO ESTRUCTURAL

Prof. Dr. Ing. Ricardo Daniel AMBROSINI

Académico Correspondiente en Mendoza

Resumen

Las cargas dinámicas extremas, tales como explosiones e impacto, sismo y viento son las que, en general, dominan el diseño y tipología estructural y, por otra parte, son aquellas sobre las que se tiene más incertidumbres, por lo que, un avance en la consideración más realista de este tipo de acciones tiene una implicancia directa sobre la seguridad y economía de las estructuras civiles.

En este trabajo se presenta un resumen de algunas líneas de investigación relacionadas con acciones dinámicas extremas y daño estructural, llevadas a cabo por el autor y su equipo de trabajo en el Instituto de Mecánica Estructural y Riesgo Sísmico (IMERIS) de la Universidad Nacional de Cuyo.

En cuanto a acciones sísmicas, se abordan los problemas de sistemas de control pasivo de vibraciones, tales como amortiguadores de masa sintonizados (AMS) y del estudio de componentes de centrales nucleares. La línea de investigación en cargas explosivas, con desarrollos teórico-numéricos y experimentales, se propone la determinación de la respuesta de suelos y estructuras sometidas a la acción de cargas explosivas. Por último, se está desarrollando una técnica segura y confiable para la determinación del daño estructural a través del cambio en las propiedades dinámicas.Palabras clave: Control de vibraciones, Centrales nucleares, Cráteres, Impacto, Salud estructural

Abstract

The structural typology and design are generally defined by extreme dynamic loading,like explosions and impact, earthquakes and wind. On the other hand, such extreme actions

present more uncertainties than static load. Then, more security and economy of civil structures it is expected by a more realistic consideration of these actions.

The main research lines of the author and his group are summarised in this paper, which were developed in the Structural Mechanics and Seismic Risk Institute (IMERIS) of the National University of Cuyo.

In connection with the seismic load, the mitigation of vibrations by mean of passive dissipa-tion systems such as Tuned mass dampers (TMD) is analyzed. Moreover, the dynamic response of components of nuclear power plants (NPP) is studied. The theoretical and experimental deter-

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mination of the structural and soil responses subjected to blast and impact loadings is the main objective of the impulsive loads research line. At last, a secure and reliable technique is being developed in order to find the structural damage by the way of the measurements of the dynamic properties.

1. Introducción y motivación

Las cargas dinámicas extremas, tales como explosiones e impacto, sismo y viento son las que, en general, dominan el diseño y la tipología estructural y, por otra parte, son aquellas sobre las que se tiene más incertidumbres, por lo que un avance en la consideración más realista de este tipo de acciones tiene una implicancia directa sobre la seguridad y la economía de las estructuras civiles. De acuerdo con esto, el objetivo general del proyecto de Investigación “Acciones extremas y daño estructural” es la determinación del efecto de las acciones dinámicas sobre estructuras y suelos sometidos a cargas extremas (impulsivas, sismo y viento) y la determinación del daño estructural a través del cambio de las propiedades dinámicas.

Con respecto a la acción sísmica, teniendo nuestro país un 83% de super-ficie en zonas de riesgo sísmico y siendo una de las cargas más críticas que afectan a las estructuras, resulta de importancia la consideración y análisis de los fenómenos físicos relacionados con la misma. De los distintos tópicos en el área llevados adelante en el mencionado proyecto de investigación, se presen-tan en este trabajo dos de ellos: a) desarrollo de dispositivos de masa pasivos para el control de vibraciones ante acciones sísmicas y b) estudio de compo-nentes de centrales nucleares sometidas a terremotos. Este tema toma una particular relevancia en nuestros días con el evento de Fukushima (Japón).

En relación con explosiones e impacto, la explosión en el World Trade Center de Nueva York en el año 1993, el atentado en el mismo lugar en 2001 y los atentados realizados en nuestro país, que causaron serios daños y pérdida de vidas, demuestran que, ahora, en el caso de algunas estructuras civiles, el diseñador puede necesitar considerar cargas provenientes de ataques delibe-rados o, eventualmente, de accidentes. Debido a esto se propone la determi-nación teórico-experimental de la respuesta de suelos y estructuras simples, sometidas a la acción de cargas explosivas.

Por último, es conocido que la existencia de daño estructural en un sis-tema ingenieril conduce a la modificación de las propiedades dinámicas del mismo. Esas modificaciones se manifiestan como cambios en los parámetros modales tales como frecuencias naturales, modos de vibración y valores de amortiguamiento modal. Estos parámetros pueden ser obtenidos de ensayos


dinámicos. En esta área se propone el desarrollo de un método seguro y con-fiable para la detección del daño en estructuras a través de la medición de sus propiedades dinámicas. Esta técnica tiene su aplicación más relevantes en el caso de puentes Un trabajo de relevamiento realizado en U.S.A. demostró que el 50% de los puentes en ese país no cumplen con los requerimientos de segu-ridad previstos por los códigos, debido a su deterioro por fatiga, fisuración en-vejecimiento, etc. Esto conduce a una previsión pesimista en cuanto al compor-tamiento de dichos puentes ante la acción eventual de un sismo de moderada o gran magnitud. Esto indica que es necesaria la realización de un monitoreo sistemático y periódico del estado de los puentes más importantes en nuestro país. Por lo tanto, el desarrollo de técnicas confiables para la detección del daño en estas estructuras, con la cuantificación y ubicación, tendría una aplicación inmediata para la instrumentación de medidas correctivas que siempre serán económicamente más adecuadas que la construcción de nuevos puentes.

En Figura 1 se presentan esquemáticamente las líneas de investigación llevadas a cabo por el autor y su equipo de trabajo en el Instituto de Mecánica Estructural y Riesgo Sísmico (IMERIS) de la Universidad Nacional de Cuyo.

Figura 1: Resumen de trabajos de investigación.Dinámica Experimental - IMERIS

2. Acciones sísmicas

2.1 Control de vibraciones

El aumento de densidad poblacional en las grandes ciudades favorece el incremento de la altura de los edificios, los cuales son más propensos a las vibraciones, principalmente las causadas por sismos y vientos fuertes. Las

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aceleraciones, causadas por las vibraciones que se producen en los pisos su-periores, son perceptibles por las personas, provocando incomodidad y algu-nas veces conduciendo al abandono del lugar de trabajo. Por lo tanto, no sólo es necesario realizar un diseño basado la seguridad estructural sino también incluir el confort de los ocupantes. Una de las alternativas para atenuar las vibraciones son los sistemas de control pasivo de vibraciones, dentro de los cuales se encuentran el amortiguador de masa sintonizado (AMS), que consis-te en una masa, un resorte y un amortiguador viscoso.

La verificación analítica y experimental de la transferencia de energía de un sistema principal excitado externamente a otro sistema secundario no excitado acoplado al primero, dio origen a los amortiguadores de masa sintoni-zados (AMS). Den Hartog demostró que para sistemas de un grado de libertad no amortiguados, la amplitud de vibración del sistema excitado es nula cuan-do la frecuencia de excitación es igual a la frecuencia del AMS, indicando que toda la energía del sistema fue transferida al AMS. La frecuencia natural del dispositivo se sintoniza cerca de la frecuencia natural del sistema principal, provocando que el AMS vibre en resonancia, disipando la energía absorbida a través de los mecanismos de amortiguamiento del mismo. A modo de ilus-tración, se presentan en Figura 2 distintas estructuras que cuentan con estos dispositivos instalados.

Los desarrollos en este tema se presentaron en distintos trabajos publi-cados, entre los que se pueden destacar Montanaro et al. (1999); Curadelli et al. (2004); Bassotti y Ambrosini (2004), trabajo distinguido con el premio Ing. Huergo de la ANI; Ambrosini y Bassotti (2006) y Bassotti y Ambrosini (2008).

Figura 2: Estructuras con amortiguadores de masa sintonizados


Los modelos desarrollados para el estudio de los AMS y múltiples AMS (MAMS) para el control de vibraciones flexionales y torsionales en estructuras pueden consultarse en detalle en los trabajos citados precedentemente.

A modo de ilustración, se presentan los resultados obtenidos para un edificio con núcleo y tabiques presentado en Figura 3, tanto en su respuesta flexional con un AMS, como en su respuesta torsional con MAMS.

Figura 3: Planta típica del edifi cio con núcleo y tabiques

En la Figura 4 se presenta la respuesta flexional, en términos de esfuer-zos de corte en la base, del edificio estudiado, con y sin AMS, sometido a un sismo típico de la provincia de Mendoza. Puede observarse que el sistema tar-da unos pocos ciclos en comenzar a funcionar a pleno, reduciendo la respuesta a partir de ese momento. En la Figura 5 se presenta la respuesta torsional, en términos de momentos torsores en la base, del edificio estudiado, con y sin MAMS (se utilizaron 4 AMS en la dirección estudiada), sometido a un sismo de Chile, Puede observarse que el sistema de MAMS reduce apreciablemente los momentos torsores en la base.

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Figura 4: Edifi cio con Núcleo y Tabiques. Corte en la Base.Acelerograma, Mendoza, 1985

Figura 5: Edifi cio con Núcleo y Tabiques. Momento torsor en la base.Acelerograma, Viña del Mar, 1985

2.2. Centrales nucleares

Como ha quedado demostrado en las imprevisibles consecuencias de la falla de la central nuclear de Fukushima ante el terremoto de Japón de marzo


de 2011, el estudio de la respuesta de las centrales nucleares y su equipamien-to secundario, ante terremotos y tsunamis, es de fundamental importancia.

Es por ello, que la Organización Internacional de Energía Atómica (IAEA) realiza estudios en este tema desde hace muchos años. En particular, en el año 2009 se lanzó el benchmark KARISMA (KAshiwazaki-Kariwa Research Initia-tive for Seismic Margin Assessment) para el estudio de la estructura de la cen-tral nuclear de Kashiwazaki- Kariwa (K-K-Japón) y sus equipos secundarios.

La central K-K es la central nuclear más grande del mundo, con 7 unida-des que generan 8.212 MWe. En 2007 sufrió un terremoto M = 6.6 con epicen-tro a 16 km. El espectro de respuesta real fue el doble del espectro máximo de diseño para todas las frecuencias. Debido a que dicha central estaba ins-trumentada completamente con sismógrafos y acelerógrafos se estaba ante un caso excepcional donde estaba registrada la excitación y la respuesta. Por ello, la IAEA propuso este benchmark para que la central fuera estudiada por grupos de todo el mundo. Es importante destacar que las estructuras no presentaron daño estructural importante debido a los márgenes de diseño. Sí resultaron dañados las cañerías, tanques, etc.

En general, se plantearon 2 tareas, la primera relacionada con la estruc-tura y la segunda relacionada con el equipamiento. Dentro de la segunda ta-rea, se pedía el estudio de las cañerías, de la piscina de combustible y de un tanque atmosférico.

En particular, nuestro grupo de trabajo, con la participación fundamental del Dr. Curadelli, intervino en la tarea 2.2: Estudio de la piscina de combusti-ble usado, que tenía los siguientes objetivos: A. Análisis modal de “sloshing”. B. Estimación de altura máxima de olas. C. Estimación de agua derramada y D. Evolución de superficie libre.

Para la consecución de los objetivos se plantearon tres tipos de modelos para la piscina: dos modelos numéricos, uno implícito y uno explícito, y un mo-delo físico a escala ensayado en mesa vibratoria. Se presentan, a continuación, algunos de los resultados principales:

En Figura 6 se presentan las formas modales de sloshing para los prime-ros modos de las olas en direcciones N-S y E-O.

En Figura 7 se presenta la evolución temporal de las olas en dos vértices de la piscina.

Para la estimación del agua derramada, en el caso del modelo numérico implícito, se desarrolló un método ad-hoc aproximado; en el caso del modelo numérico explícito, se obtuvo directamente, al igual que en el modelo físico a escala ensayado en mesa vibratoria. En Figura 8 se presentan dos instantes de tiempo, en el caso del modelo físico, del agua derramándose.

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Figura 6: Formas modales de sloshing. a) Numérico implícito.b) Experimental


Figura 7: Historia temporal de altura de las olas

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Figura 8: Modelo físico. Derrame de agua

3. Acciones impulsivas

El proyecto “Acción de Cargas Impulsivas sobre Estructuras y Suelos” comenzó su desarrollo en el año 1997. En particular, se comenzó el trabajo en cargas explosivas y la motivación del mismo se encuentra resumida en el punto 1. La palabra explosión se utiliza en sentido general para todas las reac-ciones químicas que pueden causar un sustancial aumento de presión en el espacio circundante. Una explosión puede tomar la forma de una deflagración que genera una presión moderada de velocidad del orden de m/seg o de una detonación que genera muy altas sobrepresiones en el espacio cercano, con velocidades del orden de km/seg. La detonación es una forma de reacción del explosivo que produce ondas de choque de gran intensidad. La mayoría de los explosivos pueden ser detonados bajo un estímulo suficiente. Como reacción, se generan gases a alta temperatura bajo presiones entre 100kbar y 300kbar y temperaturas entre 3000oC y 4000oC. Dichos gases se expanden violenta-mente, expulsando el aire circundante del volumen que ocupa, originando una onda de presión, que se mueve hacia afuera desde el lugar de detonación a alta velocidad.

La onda de presión, asociada con explosiones cercanas o libres, provoca velocidades de deformación en el material del orden de 10-1 a 103 1/seg. Ello da como resultado un comportamiento especial de los materiales afectados, como ser: aumento de la resistencia y de la rigidez respecto del comportamiento estático. En el caso de suelos, la respuesta global y el mecanismo de forma-


ción de cráteres es todavía más complejo debido a la naturaleza generalmente anisótropa y no lineal del material, a la variabilidad de las propiedades y a la coexistencia de tres fases: sólida, líquida y gaseosa. Generalmente, para resol-ver problemas específicos, se realiza un conjunto de hipótesis simplificativas. Hasta ahora, la mayor parte de los problemas prácticos han sido resueltos con aproximaciones de origen empírico. Años de experiencia militar e industrial han sido condensados en gráficos o ecuaciones que resultan herramientas úti-les para establecer el peso de explosivo necesario para realizar una perforación de ciertas dimensiones o estimar la cantidad de explosivo usado en ataques te-rroristas, considerando el daño registrado. La mayor parte de los trabajos de investigación está relacionada con explosiones enterradas. Prácticamente no se encuentran trabajos en la literatura abierta sobre cráteres producidos por explosiones al nivel del suelo o por encima de él, que es precisamente el caso que se registra en atentados. Existen algunos reportes internos en agencias gubernamentales de Estados Unidos que son restringidos como “información clasificada”. Con el rápido avance del hardware en los últimos años, se ha he-cho posible la realización de simulaciones numéricas detalladas de cargas im-pulsivas, aun en computadoras personales, incrementando significativamente la disponibilidad de esos métodos. Por otra parte, el desarrollo de paquetes de software integrados de hidrocódigos, completa las herramientas necesarias para la realización exitosa de análisis numéricos en este campo. Sin embargo, es importante remarcar que tales modelos y procedimientos de análisis nece-sitan de la validación experimental.

Los desarrollos en este tema pueden encontrarse en los trabajos siguien-tes: Jacinto et al. 2001 y 2002; Ambrosini et al. 2002, 2005, 2006 y 2009 y Luccioni et al. 2004, 2005, 2009 y 2010.

En relación con cráteres, en trabajos anteriores se presentaron estudios numéricos relacionados con cráteres producidos por cargas explosivas ubica-das sobre, por encima y por debajo de la superficie del suelo y se estudió la influencia de la variabilidad de las propiedades del suelo sobre las dimensio-nes del cráter y la respuesta de una losa de hormigón ante carga explosiva. Además, se estudiaron cráteres generados por cargas explosivas sobre dife-rentes tipos de pavimento y se discutió el efecto de la elevación del centro de liberación de energía sobre el cráter generado en la superficie del pavimento. Tanto el modelo numérico como el procedimiento de análisis fueron validados con observaciones experimentales de los diámetros de cráteres y la respuesta dinámica real de una placa de hormigón.

A modo de ilustración, en las Figuras 9 a 11 se presentan algunos resulta-dos experimentales y numéricos

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Figura 9: Cráteres en suelos. Resultados experimentales: a) Carga enterrada, b) Carga elevada

Figura 10: Cráteres en suelos y pavimentos. Resultados numéricos:a) Pavimento rígido, b) Pavimento fl exible

Figura 11: Cráteres en suelos. Resultados numéricos:a) 120 kg TNT, b) 240 kg TNT


En relación con la respuesta estructural, se realizó el estudio del colapso estructural del edificio de la AMIA, que sufrió un atentado terrorista en julio de 1994. La ubicación y la magnitud de la carga explosiva se obtuvieron pre-viamente a través del análisis la propagación de la onda de presión producida por la explosión y la comparación de los daños simulados numéricamente con los daños ocurridos realmente en toda la cuadra del edificio de la AMIA. Para reproducir el colapso estructural se modeló el edificio completo, incluyendo la estructura de hormigón armado y los muros de mampostería. Se utilizaron modelos constitutivos adecuados para cada una de las partes de la estructura. El modelo constitutivo utilizado para el hormigón fue probado y calibrado con resultados experimentales de una placa de hormigón sometida a cargas ex-plosivas. Para el hormigón armado se utilizó un modelo homogeneizado. Para poder reproducir el fenómeno completo, se modeló incluso el volumen de aire en el cual estaba inmersa la estructura. El análisis comenzó con la modelación de la detonación y la propagación de la onda de presión dentro del explosivo y en las capas de aire en contacto con el explosivo. Como este análisis debe ser realizado con mucho detalle, el mismo se llevó a cabo en una etapa previa, en la que se modeló un explosivo esférico. Luego, los resultados de este análisis fueron mapeados en el modelo tridimensional. A partir de este punto, se si-muló la propagación de la onda de presión en el aire y su interacción con la estructura. Se realizó un análisis dinámico explícito que permitió reproducir el colapso completo.

En las Figuras 12 a 15 se presentan la evolución del daño estructural, los primeros instantes de la explosión dentro del edificio y una comparación entre los resultados obtenidos y la realidad. La comparación de los resultados nu-méricos con fotografías del edificio estudiado, tomadas luego de la explosión, muestra que el análisis numérico reproduce en forma ajustada el colapso del edificio bajo la carga explosiva y, a su vez, confirma la ubicación y la magnitud de la carga explosiva establecidas en base a un estudio anterior.

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Figura 12: Evolución del colapso estructural

del edifi cio de la AMIA


Figura 13: Primeros instantes de la explosión, edifi cio de la AMIA

Figura 14: Atentado AMIA. Comparación de resultados numéricosy fotografías del evento real

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Figura 15: Atentado AMIA. Comparación de resultados numéricosy fotografías del evento real

Por otra parte, como otro ejemplo de respuesta estructural, se presenta el estudio de un muro de hormigón armado utilizado como protección ante explosiones accidentales que pueden ocurrir en las plantas de la industria petroquímica. Se analizaron y discutieron varias alternativas de escenarios accidentales y dimensiones de muro. Se consideraron dos tipos de eventos, ambos relacionados con explosiones de recipientes: explosión de recipientes a presión y BLEVE. La energía liberada de la explosión fue calculada siguien-do procedimientos firmemente establecidos en la práctica y los efectos sobre las estructuras y el muro de hormigón armado fue calculado usando una he-rramienta de CFD. Efectos importantes como las múltiples reflexiones de la onda de presión generada por la explosión, el efecto “mach”, rarefacciones y la fase negativa de la onda de presión pueden ser adecuadamente reproduci-dos mediante programas de la dinámica de fluidos computacional (CFD). Las técnicas analíticas simplificadas y semiempíricas generalmente ignoran estos fenómenos y no pueden utilizarse para la evaluación de presiones e impulsos en este tipo de escenarios.

En la Figura 16 se presentan varios instantes de la propagación de la onda de presión producida por la explosión de un equipo denominado slug catcher y su acción sobre el suelo, el muro de protección y los edificios. Es claro cómo se refleja la onda de presión en el muro y cómo el muro protege, sobre todo a los edificios más cercanos, del efecto de la explosión.


Los resultados obtenidos demostraron que el muro diseñado reduce los valores del pico de sobrepresión e impulso y, como consecuencia de ello, los niveles de daño esperados. Se demostró también que el muro puede soportar, con un daño menor, la carga explosiva para los eventos considerados y los niveles de sobrepresiones e impulsos generados. Además, se verificó el muro ante la carga del impacto de la tapa de uno de los recipientes.

Figura 16: Propagación de la onda de presión. Explosiónde slug catcher. Infl uencia del muro de protección

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4. Detección del daño estructural

En los últimos años se han producido numerosas fallas súbitas de puentes en distintos lugares del mundo. A modo de ejemplos, recientemente se produjo la falla súbita, bajo cargas de servicio, del puente sobre el río Gaoping (Figura 17), que une las ciudades de Kaohsiung y Pingtung, en Taiwan. En agosto de 2007, un puente que cruzaba el río Mississippi en la ciudad de Minneapolis (USA) colapsó durante la hora pico, lo que provocó que un número no deter-minado de automóviles se precipitaran al agua (Figura 18), ocasionando la muerte de al menos 30 personas y planteando nuevos interrogantes sobre el estado de la infraestructura en Estados Unidos. El puente que se derrumbó en Minneapolis encendió el alerta sobre otras posibles tragedias. Es que de los 600 mil puentes que hay en Estados Unidos, 156.000 (el 26%) son “estructural-mente deficientes” o están “funcionalmente obsoletos”, según un relevamiento que se hizo en 2006, a cargo del Departamento de Transporte. Esto conduce a una previsión pesimista en cuanto al comportamiento de dichos puentes ante la acción eventual de un sismo de moderada o gran magnitud. Robert Dunphy, un académico del Urban Land Institute dijo en The New York Times. “Tene-mos una crisis en ciernes con la infraestructura, pero es muy fácil ignorarla hasta que tenemos una catástrofe”, acotó. Aunque no hay estadísticas disponi-bles, se estima un problema similar en Argentina.

Figura 17: Colapso de un puente en Taiwán


Figura 18: Colapso de un puente en Minneapolis (USA)

Por lo tanto, es de suma importancia desarrollar técnicas confiables para la identificación del deterioro estructural. Por ello, durante la última década se han presentado diversos procedimientos basados en las propiedades diná-micas de la estructura, los cuales presentan ventajas respecto de los métodos tradicionales de auscultación. En lo que sigue, se considera un concepto gene-ral de daño que incluye la reducción de rigidez y los cambios en las condiciones de apoyo que puede sufrir una estructura. Los procedimientos de auscultación mencionados se basan en que la variación de los parámetros mecánicos (masa, rigidez, amortiguamiento) debidas al daño, produce un cambio en las caracte-rísticas dinámicas (frecuencias naturales, coeficientes de amortiguamiento y formas modales) de la estructura. Por lo tanto, para la identificación del daño puede considerarse el registro de la variación de las propiedades dinámicas de una estructura a lo largo del tiempo.

A partir de ensayos dinámicos pueden estimarse las características di-námicas de una estructura, procedimiento denominado identificación de sis-temas. Diversos métodos se han desarrollado para determinar experimental-mente las frecuencias naturales, coeficientes de amortiguamiento y formas modales, considerando las mediciones de la excitación y la respuesta, o sólo la respuesta de la estructura. Las distintas técnicas de identificación de daño pueden dividirse en: técnicas basadas en la respuesta (donde los datos de la respuesta dinámica de la estructura se relacionan directamente con el daño), y técnicas basadas en el modelo (ciertos parámetros de un modelo numérico de

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la estructura, relacionados con el daño, se actualizan según las características dinámicas estimadas experimentalmente). En los desarrollos en esta área se consideró una técnica basada en la respuesta que permite detectar daño al considerar las variaciones en las frecuencias naturales, modos de vibración y coeficientes de amortiguamiento (Curadelli et al. 2008), y localizar el mismo mediante las modificaciones registradas en la curvatura modal.

Como ilustración de los desarrollos en esta área, se presentan en Figuras 19 y 20 ensayos de laboratorio sobre vigas de hormigón y metálicas y ensayos en puente real.

Figura 19: Determinación del daño en vigas de hormigón y metálicas

Finalmente, en las ecuaciones (1) a (3) se presentan propuestas origina-les de la distribución del daño estructural en vigas de hormigón, a través del cambio en su rigidez flexional por la disminución de su módulo de elasticidad (Kunert y Ambrosini 2007)

(1)


Figura 20: Determinación del daño en puente real

(2)

(3)

donde: E(x) es el módulo de elasticidad dañado; E0 el módulo de elasticidad sin daño; L la longitud de la viga; x la distancia desde un extremo de la viga; parámetro que caracteriza el daño y varía entre 0 (viga sin daño) y 1 viga con rigidez flexional nula en el centro

Como una aplicación real de la metodología desarrollada, se presentan los estudios de los contenedores esféricos de gases licuados de petróleo de Petro-química de Cuyo S.A., en su planta de Luján de Cuyo, Mendoza. En la Figura 21 se presenta la estructura estudiada y la instrumentación de la misma. En la Figura 22 se presenta la materialización de la excitación y un registro de aceleraciones obtenido.

180 INCORPORACIONES

Figura 21: Determinación del daño en estructurasde contenedores de LPG

Figura 22: Excitación dinámica y registro de aceleraciones

En cuanto a la modelación numérica del fenómeno completo, en éste debe considerarse el líquido contenido, conduciendo a un caso de interacción fluido- estructura. En la Figura 23 se presentan dos modos de “sloshing” para al caso real y un modelo a escala analizado


Figura 23: Modelos numéricos. Sloshing del caso realy de un modelo a escala

5. Perspectivas de futuro

De acuerdo a lo indicado en la Introducción, las estructuras civiles en todo el mundo se encuentran sometidas a acciones dinámicas extremas tales como sismo, viento, impacto y explosiones. En el caso de estas últimas, lamenta-blemente, su frecuencia es cada vez mayor con el paso del tiempo, debido a la gran cantidad de atentados en todo el mundo.

Por otra parte, el avance tecnológico, tanto en el área computacional como experimental, ha dotado a los Ingenieros de poderosas herramientas que per-miten abordar problemas, tanto en tamaño como en complejidad, cuyo análisis hubiera sido impensado años atrás.

En conclusión, los Ingenieros Estructurales pueden realizar un aporte significativo a la comunidad, de modo que, con la correcta utilización de las herramientas mencionadas anteriormente y un juicio adecuado sobre los re-sultados obtenidos, se disminuya la vulnerabilidad de las estructuras, con el consiguiente ahorro de vidas humanas y bienes materiales.

Agradecimientos

En primer lugar, deseo expresar mi agradecimiento a los tres Profesores y Formadores más importantes de mi carrera. Me refiero a los Ingenieros Rodol-fo Danesi, Jorge Riera y Arturo Bignoli, a los cuales les agradezco profunda-mente, en primer lugar, su aporte a mi formación en los valores humanos y en

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la ética de la docencia e investigación y, en segundo lugar, en los conocimien-tos científicos y técnicos que compartieron con toda generosidad. En la entrega del premio Ing. Antonio Marín correspondiente al año 2001 tuve el honor de contar con la presencia de ellos.

Ings. Riera, Ambrosini, Bignoli y Danesi. Entrega premioIng. Antonio Marín, 2001

En segundo lugar, deseo agradecer a los colegas con los cuales he tenido el honor de trabajar en estos años y, en particular, considero necesario mencio-nar a los Ings. Bibiana Luccioni y Oscar Curadelli, y en nombre de ellos a los demás colegas con los que he trabajado. También a mis becarios y discípulos, que han sabido llevar adelante sus trabajos como Ingenieros y también en algunos casos sus Tesis de Maestría y Doctorado, con toda responsabilidad.

Finalmente, deseo agradecer a mi familia que, hablando ingenierilmente, me ha brindado el apoyo necesario y suficiente todos los años de mi carrera.

Referencias

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