Ministerio de la Construcción – ENIA Ministerio de Educación - UCLV

FORUM CIENCIA Y TECNICA

MODELACIÓN E INSTRUMENTACIÓN DE LAS ESTRUTURAS Y EL TERRENO.

2006.

Datos Generales. Título: Modelación e Instrumentación de las Estructuras y el Terreno. Unidad Ejecutora principal: Facultad de Construcciones. Centro de

Investigación y Desarrollo de las Estructuras y Los Materiales. CIDEM, Universidad Central de las Villas.

Empresa Nacional de Investigaciones Aplicadas. ENIA

Autor Pincipal: Dr. Carlos Recarey Morfa (UCLV) (16 %) Autores: MSc. Miguel Angel Mestre Mesa (ENIA) (14.75 %) Dr. Cs. Gilberto Quevedo Sotolongo. (UCLV). (14.75%) Dr. Luis O. Ibáñez Mora. (UCLV) (14.75 %) Dr. Jorge L. Broche Lorenzo. (UCLV). (14.75 %) Coautores: Ing Manuel Alonzo Bordon (ENIA) (3%) Dr. Alexis Negrin Hernandez (UCLV) (3%) MSc. Arq. Jose A. Chávez (UCLV) (3%) Dr. Arq. Fernando Sanchez Rodriguez (UCLV) (3%) Dr. Lamberto Alvarez Gil (UCLV) (3%) Ing Fidel Diaz Vargas (ENIA) (2%) Dr. Ernesto Chagoyen Méndez (UCLV) (2%) Dra. Ana V. Gonzáles Cueto (UCLV) (2%) Dr. Arq. Andrés Olivera Ranero (UCLV) (2%) Ing Leticia García (UCLV) (1%) Ing Mirel Garcia (ENIA) (1%) Colaboradores: Ing César Núñez González (ENIA) Dr. Jorge Feliz Hernandez (UCLV) Ing Ernesto Cintron Valdez (ENIA) Dr. Mario Bermúdez (UCLV) Ing Noel Pérez (ENIA) Ing. Ricardo Quintana (ENIA) MSc. Pedro Nolazco Ruiz (UCLV) Ing Carlos Ayra Beanzaey (ENIA) Ing Lena Mora (UCLV)

RESUMEN Se resume en el trabajo los principales resultados obtenidos por un colectivo de autores la ENIA y el CIDem. Se destacan los resultados científico técnicos obtenidos a través de varias tesis doctorales, que en estos momentos son el sustento teórico de las soluciones técnicas que se ejecutan en al resolución de los complejos problemas de ingeniera, que han efectuado por colectivo de trabajo. Se evidencia la solución de varios trabajos técnicos con la aplicación de la modelación e instrumentación de las estructuras y el terreno en numerosas obras de singular importancia en el país. Se demuestra la efectividad del enfoque y las metodologías de trabajo desarrolladas en la solución de problemas medulares de la economía nacional y en obras de las batalla de ideas. Se muestra la concepción general de la modelación y las dos vertientes de aplicación que se le ha dado en el colectivo, una encaminada la obtención de resultados que permitan modificar las normativas existentes sin tener que realizar una gran cantidad de ensayos in situ, y la segunda encaminada a la aplicación de la modelación en conjunto con la instrumentación para el diseño y revisión de problemas ingenieriles complejos. Como aspectos novedosos se ha desarrollado un enfoque y metodología de trabajo que ha permitido resolver varios tipos de trabajos con este procedimiento. De cada una de las variantes de aplicación de la modelación se muestran ejemplos prácticos desarrollados, tales como la fundamentación de las modificaciones de la norma cubana de diseño geotécnico de cimentaciones superficiales, la metodología para el diseño geotécnico de cimentaciones sobre pilotes y la aplicación de la modelación y la instrumentación en obras de alto valor arquitectónico, en obras portuarias y en aeropuertos. La generalización de este trabajo a otra esfera como es los puentes y el transporte ferroviario ya se encuentran en fase de ejecución. Se han efectuado varios trabajos que han sido premiados por el Ministerio del Transporte recientemente. A la Empresa Nacional que atiende las vías y puentes dentro de la Unión de Ferrocarriles se le ha transferido todo el conocimiento y la tecnología para efectuar estos trabajos en esta importante esfera. Ya se están efectuando trabajos conjuntos entre la Unión de Ferrocarriles, Vialidad y EMPAI y el CIDem para generalizar este resultado en la rama del transporte por carreteras y vías férreas. Con la aplicación y generalización de los resultados tanto científicos, como con la aplicación de los mismos en la resolución de complejos problemas de ingeniería y la mejora introducida en los códigos de diseño el país ha obtenido significativos ahorros materiales y financieros. Un ejemplo detallado del tipo de trabajo que se realiza de anexa al trabajo.

Todos los resultados científicos técnicos, tanto los de investigación básica fundamental, como los aplicados (resolución de problemas de alto nivel de complejidad), han sido publicados en diversas revistas de alto índice de impacto e indexadas en bases de datos de connotación internacional. Este es un aspecto que fue cumplido como requisito para poder defender las tesis doctorales que sustentan el trabajo científico en este caso.

1.0 - RESUMEN GLOBAL DEL TRABAJO REALIZADO.

Desde el surgimiento (1991) del Centro de Investigación y Desarrollo de las Estructuras y los Materiales (CIDem), en la Universidad Central de Las Villas (UCLV), se diseño una política científica para formar los recursos humanos que constituye este centro de investigación. Como parte de esta política de formación científica (tercer ciclo) desde nivel de maestría hasta doctorado se han desarrollado investigaciones relevantes y apostadoras al campo de la ciencia, en específico en temas de modelación e instrumentación, y muy singularmente la combinación de ambas técnicas para resolver los complejos problemas que se presentan en el mundo empresarial. El desarrollo de estas investigaciones y de su política de formación científica ha permitido consolidar dos aspectos esenciales:

• Primeramente contar con un equipo (recursos humanos) multidisciplinario, con un alto potencial científico técnico, capaz de resolver los más diversos y complejos problemas de ingeniería con un mismo enfoque sistémico e integrador, donde se combinan las técnicas de modelación y simulación numérica con las de ensayo e instrumentación.

• Contar con resultados científico relevantes y de alto nivel técnico, que son el resultado de varias investigaciones básicas, las cuales, permiten resolver problemas concretos de ingeniería aplicada en el mundo empresarial, con una misma filosofía de trabajo.

La conjugación de los aspectos anteriores (recursos humanos y resultados científicos capaces de resolver, los más complejos problemas de ingeniería aplicada) posibilitan consolidar todo el trabajo de una institución científica que tiene como finalidad aportar y contribuir a resolver (servicios de consultoría) problemas ingenieriles del mundo empresarial. En este caso se han desarrollado dos enfoques uno que se fundamenta en el empleo de la modelación y la instrumentación para mejorar los códigos de diseño y el otro en el empleo de estas mismas técnicas para la resolución de complejos problemas del mundo ingenieril. El empleo de la modelación y la instrumentación para mejorar los códigos de diseño presenta como resultado la Norma Cubana de Diseño Geotécnico de Cimentaciones (convencionales) Superficiales, Norma Cubana de Diseño Geotecnico de Diseño de Cimentaciones Laminares, Norma Cubana de Diseño de Pilotes o Cimentaciones Profundas, Norma de Diseño de Estructuras Compuestas de Hormigón y Acero y Norma Cubana de Diseño Estructural de Cimentaciones Superficiales. La mejora de los códigos de diseño y el estudio (combinación de técnicas de modelación e instrumentación) de los factores que presentan incertidumbres dentro de cada normativa posibilitan mejorar la calidad técnicas de los trabajos de proyecto y a su vez se traduce en cuantiosos ahorros materiales y financieros al país. De igual modo en el mundo empresarial existen entidades como la Empresa de Investigaciones Aplicadas (ENIA), perteneciente al Ministerio de la Construcción, la cual, cuenta con personal técnico muy calificado y experimentado. Esta empresa posee tecnología y equipamiento de punta, que posibilitan realizar trabajos (instrumentación y

ensayos) con alto nivel técnico, similar a los que prestan las empresas de más renombre en países de primer mundo. Con las potencialidades de ambas entidad (ENIA y CIDem) y a través de la función de las mismas, se procedió a prestar un servicio técnico y de consultoría sin precedentes en el país, con la singularidad de que los trabajos que se prestan, solo son realizados en el mundo por Empresas y Compañías de elite. Con estas potencialidades (recursos humanos altamente calificados y experimentados, los resultados científicos capaces de resolver los más complejos problemas de ingeniería aplicada y la existencia en el país de tecnología y equipamiento de punta), las cuales se han consolidado por más de 5 años de trabajo conjunto y cohesionado entre estas dos entidades (ENIA-CIDem), han permitido resolver diversos problemas de alto grado de complejidad y de singular importancia para la economía del país. Como principal resultado de esta investigación se reporta el desarrollo de un enfoque de trabajo que posibilita establecer una metodología integral y sistémica que posibilita resolver los más diversos y complejos problemas de ingeniería, donde se combinan las técnicas de modelación e instrumentación y se aplican las más novedosas herramientas de GIF. De este modo se logaran resolver problemas relacionados con Obras de Alto valor patrimonial, aeropuertos, puertos, otros tipos de obras donde además se incluyen trabajos realizados para la defensa de país. La génesis de esta función entre ambas entidades (ENIA-CIDem) para la prestación de este servicios sin precedentes en el país, fueron los estudios de investigación y el proyecto de restauración del Conjunto Monumental Ernesto Che Guevara en Santa Clara, donde reposan los restos de Guerrillero Heroico y sus compañeros caídos en Bolivia. Este importantísimo trabajo técnico, fue solicitado por el Consejo de Estado y en el mismo participaron varias entidades de Ministerio de la Construcción y Ministerio de Educación Superior, donde la ENIA y el CIDem iniciaron por primera vez en el país la realización de un servicio especializado, donde de modo singular se combinan las técnicas de modelación e instrumentación. Tomando como base los excelentes resultados de este primer trabajo, el Consejo de Estado, solicito a ambas entidades participar en los estudios de investigación y en el proyecto de restauración de las Escuelas Nacionales de Artes, donde se insertaba el Instituto Superior de Arte -ISA- (Escuelas de Plástica, Danza, Música, Artes Escénica), que es considerada una obra cumbre de la arquitectura cubana del siglo XX. Esta singular obra esta clasificada por el Word Foundation Monument como una de las edificaciones de más valor arquitectónico en Cuba, todo esto por la excelente expresión artística lograda en su diseño, ya que la misma es una verdadera obra de arte. En los estudios de investigación y en el proyecto de restauración del ISA participan de modo colectivo en estos momentos varias entidades del Ministerio de la Construcción (ENIA, etc.) y el Ministerio de Educación Superior (UCLV-CIDem, ISPJAE – Fac. Arquitectura) entre otras entidades. Otro de los trabajos que han sido génesis en la resolución de problemas de alto nivel de complejidad combinando técnicas numéricas y de instrumentación, ha sido el Yacht Club

de Cienfuegos que en este caso particular la ENIA-CIDem participaron en los estudios de investigación y diagnostico de las Cúpulas (desechadas en el proyecto original de restauración de la edificación) y en su proyecto de restauración. En esta edificación hay que destacar que el proyecto integro de restauración recibió mención en el IV Salón de Arquitectura celebrado en Holguín en octubre del 2003 y además recibió el Premio Nacional de Restauración en su Categoría en el 2005. En este trabajo participaron varias entidades del Ministerio de la Construcción de la provincia de Cienfuegos y además la ENIA-CIDem. Como parte de la contribución de la ENIA y el CIDem, a los planes del desarrollo hidráulico y energético del país, se puede mencionar, los estudios realizados en la Hidroacumuladora de la Presa Sasa. Esta es otra de las obras que le dio génesis a este servicio de resolución de problemas de alto nivel de complejidad donde se combinan técnicas de instrumentación y modelación. Esta obra en estos momentos se encuentra en fase de construcción y en los estudios participaron la Empresa de Proyectos e Investigaciones de Recursos Hidráulicos de Villa Clara, el CIDem y una Empresa China que participa como parte integrante de este proyecto. Como continuidad de estos trabajos y como generalización de los mismos, se han efectuado otros trabajos de alto nivel de complejidad, los cuales, se han realizado bajo el mismo enfoque de trabajo y por la metodología establecida por el colectivo de profesionales de la ENIA y el CIDem. La generalización de los mismos ha tomado varias vertientes de trabajo, que se centran en:

• Estudios de obras de alto valor patrimonial. • Estudio de obras orientadas y relacionadas de modo directo con la defensa del

país (Operación Triunfo). • Estudio de Puertos y Certificación de la Capacidad portante de los mismo. • Estudios de Certificación de la Capacidad portante de Pista Aéreas, que es un

servicio que solo prestan cuatro compañías en el mundo, debido al alto nivel y complejidad de los trabajos técnicos.

• Estudios de alto nivel de complejidad en otros tipos de obras y edificaciones. Dentro de los problemas de alto nivel de complejidad resuelto por el enfoque de trabajo y por la metodología desarrollada por los especialistas de la ENIA-CIDem, se encuentran varias obras del Casco Histórico de la Ciudad de la Habana: Palacio de los Capitanes Generales (obra singular de la Arquitectura Colonial Cubana), Templete, Museo del Auto, Castillo de la Punta, Hotel Parckard, etc.. En este mismo acápite (obras con valor patrimonial) se encuentra otras edificaciones como: Casa de la FEU de la Universidad de la Habana (UH), Escuela de Prado, entre otras. Hay que destacar por la significación de las mismas que la restauración del ISA, Escuela de Prado y la Casa de la FEU de la U.H., son obras que se encuentran dentro del Plan de Recuperación de Edificaciones insertadas dentro de la Batalla de Ideas. Un ejemplo más detallado se anexa al trabajo para que sea valorado.

En la actualidad Cuba esta realizando estudios muy serios relacionado con la reconversión y redimensionamiento de los atraques y puertos existentes en el país, sobre todo por los cambios tecnológicos introducidos y por las nuevas funciones que los mismos están ejerciendo en la actualidad. En este caso la ENIA y el CIDem, empleando el mismo enfoque de trabajo y las metodologías desarrolladas con enfoque sistémico e integrador, ha realizado trabajos técnicos de alto nivel de complejidad en puertos y atraque. En estos trabajos en algunos casos se ha contado con la participación de empresas extranjeras muy prestigiosas, que han ejercido función de contraparte y de revisión de los trabajos técnicos desarrollados por las entidades cubanas (ENIA-CIDem). Los resultados de estas revisiones y controles técnicos, por parte de la contraparte extranjera han arrojado criterios muy positivos sobre los resultados técnicos de los trabajos realizados y se ha resaltado la profesionalidad y el nivel científico técnico con que se han ejecutado los mismos. Entre los puertos estudiados a solicitud de ASPORT, REPSOL YPF (Compañía extranjera muy reconocida), Consejo de Estado, Ministerio de Azúcar, se encuentran:

• Atraque No 8 Puerto del Mariel. Uso Grua Litronic • Atraque No 7 Puerto del Mariel. Tanques REPSOL • Atraque No 7 Puerto del Mariel. Grúa REPSOL • Atraque No 8 Puerto del Mariel. Descarga Grupo Electrógenos • Atraque No 8 Puerto del Mariel. Capacidad de Carga total • Atraque No 8 Puerto Mariel. Almacenaje Grupos Electrógenos • Puerto Pastelillo. Capacidad de Carga y rediseño

El primer estudio realizado en el atraque 8 del puerto de Mariel, fue para certificar que la Grúa Litronic adquirida en el país podía operar en las instalaciones de este atraque, ya que la misma sustituiría a la infraestructura tecnología anterior que se había quedado obsoleta. En este caso hay que señalar que la carga que puede operar esta equipo es muy superior a las que se manejaban en este puerto con anterioridad, ya que por pata de la grúa baja 125 T en sus condiciones máximas de explotación. Esta magnitud de carga nunca se había operado en este puerto y existía la incertidumbre que se pudiera operar a este nivel. Los estudios realizados aportaron afortunadamente que las inversiones realizadas (grúa) por el país, para redimensionar las funciones de este puerto se podían efectuar a toda capacidad y la grúa podía operar en este atraque. En el desarrollo de la exploración y prospección de petróleo en la plataforma insular cubana, se hizo necesario disponer del atraque numero 7 del puerto de Mariel, para establecer la base de operaciones y servicios correspondientes que posibilitará efectuar la perforación del pozo de petróleo en la plataforma. Este trabajo se efectuaría por parte de la REPSOL y el puerto de Mariel era por donde se efectuaría toda la actividad de abastecimiento y apoyo a esta importante tarea de la economía del país. ¿Para esta finalidad que incertidumbre existía?. Al igual que en el atraque 8 era necesario certificar la capacidad portante del mismo para ejercer las funciones que se pretendían prestar desde esta infraestructura portuaria. El trabajo se realizó de igual modo al atraque 7, donde se combinaron las técnicas numéricas y la instrumentación, reportándose una buena capacidad portante de esta infraestructura. En este caso la REPSOL contrato una contraparte extranjera muy prestigiosa para que revisara el trabajo técnico realizado y se

recibieron desde Europa varios correos electrónicos de elogio resaltando el nivel técnico y profesionalidad del trabajo realizado. Como parte del plan de desarrollo energético del país, fue necesario descargar por primera vez en Cuba una carga (grupos electrógenos de gran capacidad de generación) que no tenia precedentes por su magnitud y forma de operación, a la hora de descargar la misma en el puerto del Mariel (atraque 8). Por esta razón el Consejo de Estado, tomando como base los resultados de los anteriores trabajos realizados, le solicito a la ENIA y al CIDem, laborar en Certificar la Capacidad portante de este atraque, para validar la efectividad de descarga los grupos electrógenos de gran capacidad en este puerto. De forma análoga se efectuó esta tarea insertada dentro de la Batalla de Ideas y se le dio respuesta a otra compleja e importantísima solicitud de la dirección de la revolución. Otros trabajos similares se han efectuado en otros puertos del país en específico para dar respuesta a problemas relacionados con la exportación de mieles, azúcar y otros derivados de la industria azucarera. Recientemente a Organización Internacional de Aeronáutica Civil (OACI) ha establecido una regulación obligatoria, que para operar los aeropuertos internacionales, los mismos deben estar certificados a través de un procedimiento desarrollado para tal efecto, denominado ACN-PCN. Esta certificación de capacidad portante solo la realizan en el mundo 4 Empresas o Compañías de elite mundial, las cuales disponen de equipamiento para tal efecto. El costo de este equipamiento en el mercado internacional es de 353 000 Euros y el costo de trabajo técnico por kilómetro de aeropuerto oscila entre los 60 000 a 8 000 dólares. Cuba no se puede dar el lujo de comprar este equipamiento, ni proceder al pago de un servicio técnico tan costoso como este. Por este motivo ECASA estableció contacto con el equipo de trabajo de la ENIA-CIDem para presentarle la necesidad de buscar una alternativa para lograr cumplir con los requerimientos que solicitaba la OACI, con respecto a la certificación de la capacidad portante de los aeropuertos que cubanos que prestan servicio internacional. Después de recibir todas las explicaciones y la documentación técnica de la OACI para efectuar la certificación de la capacidad portante de los aeropuertos, se efectuaron un grupo de investigaciones. En este trabajo investigativo se detectaron las bases científicas del procedimiento de certificación de la capacidad portante de los aeropuertos. Sobre la base de estos resultados, se estableció y desarrollo un procedimiento cubano que permite realizar la certificación de la capacidad portante de los aeropuertos. Este procedimiento se fundamenta y apoya en la infraestructura tecnológica y el equipamiento existente en el país (ENIA), para lograr los mismos resultados que con el equipamiento de alta tecnología con que cuentan las compañías extranjeras que ofertan este tipo de trabajo altamente calificado. En este caso combinando técnicas de instrumentación y modelación numérica se realizan reducciones de costo considerables en los estudios de investigación para delimitar la capacidad portante y se han realizado aportaciones científicas relevantes al campo de la ciencia con las modificaciones introducidas al método del PCN-ACN establecido por la OACI. Este trabajo ya ha sido aplicado con éxitos en el Aeropuerto de Cienfuegos y en estos momentos se trabaja en el aeropuerto internacional de Santiago de Cuba, que además presenta otros problemas técnicos complejos, que están en vía de

estudio y solución. En estos momentos se cuenta con la aprobación de ECASA y la OACI para efectuar en Cuba la certificación de la capacidad portante de los aeropuertos cubanos a través de este enfoque. De hecho en el aeropuerto de Cienfuegos se ha presentado el expediente técnico de la pista con este trabajo y se está operando exitosamente con un flujo bastante estable de operaciones internacionales de vuelos de mediano y gran porte. Otras obras o edificaciones han sido estudiadas y resueltas las problemáticas que presentaban aplicando el enfoque y metodología de trabajo desarrollada por los especialistas de la ENIA y CIDem. Entre estas obras se pueden mencionar: Cine Bauta, Tanque se Salmuera de la Electroquímica de Sagua la Grande, Escuela san Alejandro, Hotel Palacio Azul, Piscina Hotel Brisas del Caribe y la Cimentación Hotel Pansea. Como parte del proceso de generalización se han efectuado varios trabajos en temas de vías férreas y carreteras con el mismo fundamento teórico. Estos trabajos han sido premiados por el Ministerio del Transporte recientemente. A la Empresa Nacional que atiende las vías y puentes dentro de la Unión de Ferrocarriles se le ha transferido todo el conocimiento y la tecnología para efectuar estos trabajos en esta importante esfera. Se ha podido generalizar y transferir este aspectos, porque el Ministerio del Transporte dispone de un equipamiento de instrumentación (móvil), que posee el más alto nivel, ya que dispone de la tecnología más avanzada en el mundo. Este equipamiento fue adquirido hace dos años a un costo de 45000 Euros. Ya se están efectuando trabajos conjuntos entre la Unión de Ferrocarriles, Vialidad y EMPAI y el CIDem para generalizar este resultado en la rama del transporte por carreteras y vías férreas. En vías férreas y puentes esto es un hecho. Todos estos trabajos han sido resueltos con la combinación de técnicas de modelación y simulación numérica, con las de instrumentación y ensayo. En función de tipo de obra se hacen otros estudios colaterales que permiten dar una respuesta técnica efectiva a cada problema en cuestión. En este caso los ensayos físicos y la instrumentación se emplean como patrón de calibración de la modelación numérica. Este aspecto posibilita disminuir tiempo, recursos financieros y materiales, ya que de este modo, se pueden reproducir situaciones a nivel de modelación virtual (con previa calibración de los modelos numéricos con respecto al sistema de instrumentación) que no son necesarias ensayar o instrumentar para resolver los complejos problemas de ingeniería a resolver. Todos estos aspecto con la posibilidad de que la instrumentación aporta respuestas físicas (en los punto que se instrumentan o ensayan) que permiten caracterizar los problemas que se estudian y la modelación posibilita conocer el comportamiento de todo el medio geométrico que es objeto de estudio. Si a este aspecto, se le añade que la modelación y el modelo numéricos correspondiente, esta calibrado con respecto a la respuestas físicas que aporta el sistema de instrumentación o los ensayos físico, entonces se puede disponer de una potente herramienta de trabajo, ya que la misma permite reproducir situaciones, eventos o validar suposiciones que posibilitan resolver a nivel de modelación estos complejos problemas ingenieriles que se han comentados con anterioridad.

Este último aspecto esta fundamentado en las ventajas y desventajas de cada una de estas técnicas por separado. Por ejemplo la instrumentación permite conocer las variables de respuesta o control que se capturan a través del sistema de instrumentación, pero solo estas variables son cuantificadas en los puntos donde se efectúa la misma. Para eliminar esta desventaja se puede valorar la posibilidad de aumentar la cantidad de sensores que formen parte del sistema de instrumentación y a su vez aumentar el tiempo de lectura de los mismos, pero esta solución es poco viable y antieconómica. Por su parte, como ya se expreso, la modelación posibilita conocer el comportamiento de todas las variables en todo el medio geométrico que identifica la problema en cuestión, pero este resultado esta más o menos cerca de la realidad en función de la efectividad y experiencia de los ingenieros. Ahora bien si se combinan ambas técnicas y se aprovechan las ventajas de ambas (empleando los resultados de la instrumentación como patrón de calibración de los modelos numérico) se pueden obtener resultados alentadores, que posibilitan resolver problemas con alto grado de complejidad a un mínimo costo de recursos y aspectos financieros. Todos los resultados científicos técnicos, tanto los de investigación básica fundamental, como los aplicados (resolución de problemas de alto nivel de complejidad), han sido publicados en diversas revistas de alto índice de impacto e indexadas en bases de datos de connotación internacional. Este es un aspecto que fue cumplido como requisito para poder defender las tesis doctorales que sustentan el trabajo científico en este caso. 2.0 – CONCEPCIÓN GENERAL DE LA MODELACIÓN.

La definición del Prof. Meli Piralla sobre lo que es el diseño estructural, es una frase que se ha modificando con el paso del tiempo y el desarrollo consecuente de la ciencia que trae consigo mayor entendimiento de la razón y ser de las estructuras:

“El diseño estructural es el arte de usar materiales que en realidad no conocemos para formar estructuras que en realidad no podemos analizar, de manera que resistan cargas que en realidad no podemos evaluar, todo esto de modo tal que el publico no se de cuenta de nuestra ignorancia” Por ejemplo, la modelación es el recurso que ha usado el hombre durante el transcurso de los años para lograr llevar a objeto de estudio la situación o el problema real que se le presenta. Los modelos al principio más sencillos han ido tomando complejidad y desarrollo, imitando cada vez más a la estructura real, logrando así un mejor resultado sin llegar a ser la estructura en si, pero trayendo consigo más seguridad y mayor confianza, además de que ha tenido una importancia sustancial en cuanto al aspecto económico relacionado con el aumento de la efectividad de las investigaciones y la optimización de la actividad humana, en general, ya que en los últimos años el desarrollo de la computación le ha dado un verdadero impulso a las técnicas de modelación, que unido al empleo cada vez mayor de la estadística con los conceptos probabilísticas de diseño en la ingeniería, ha aumentado la eficiencia y la racionalidad de los resultados de los diseños. La modelación juega un papel fundamental como medio de solución de las tareas planteadas en la práctica ingenieril. De aquí que sea el desarrollo y utilización de

modelos para sistemas en general una de las tareas científicas de más importancia a acometer en la actualidad. Los modelos y los métodos de modelación pasan así a ser herramientas importantes de trabajo [Recarey, 1999]. La modelación es una herramienta universal que encuentra aplicación en las esferas más importantes de la actividad creadora del hombre. Sin embargo, independientemente de las formas de su organización y del carácter de los campos del mundo objetivo, que se reproducen en los modelos, el procedimiento de la modelación se mantiene totalmente igual. Estas circunstancias permiten afirmar que la modelación tiene un carácter científico general y que todas sus formas tienen una unidad orgánica, Por eso, para lograr la definición general de modelación hay que descubrir en ella aquellos rasgos universales que tienen validez para todas las formas de modelación. [Recarey 1999] En todas las esferas de la investigación, la modelación actúa, como un elemento mediador, en la cual la asimilación practica o teórica del objeto, se realiza por medio de un eslabón intermedio llamado: el modelo. Esta conclusión plantea el problema de las condiciones que permiten realizar el proceso de investigación de un determinado objeto por mediación de su modelo. En este caso es perfectamente compresible que la modelación, como cualquier otro procedimiento cognoscitivo, no constituye un acto subjetivo puramente arbitrario, realizado a voluntad de sujeto investigador cognoscente. En el enfoque materialista de la modelación tiene un significado decisivo el descubrimiento del fundamento objetivo de las operaciones modeladoras. Este fundamento es la correspondencia objetiva entre el modelo y el objeto modelado. Correspondencia que no depende del sujeto investigador. [Recarey 1999] En este proceso de correspondencia se revela la unidad de lo objetivo y lo subjetivo, en el cual lo objetivo de su contenido se relaciona con una comunidad de estructuras del modelo y el original en una determinada relación, mientras que el elemento subjetivo esta vinculado, con una necesidad practica real. A medida que se desarrolla el proceso investigativo se perfecciona el método de modelación, lo común del modelo y del objeto modelado. Es decir, se modifica, cambiando su interpretación. Pero se mantiene siempre una comunidad objetiva entre el “Modelo” y el “Objeto” modelado, de forma que este proceso tenga un sentido racional. Es por eso que la condición fundamental de la modelación es la presencia de una comunidad, en determinada relación, entre el modelo y el objeto modelado, aspecto objetivo de la fundamentación de la modelación. En la definición general de la modelación hay que tomar en cuenta la condición gnoseológica de la misma, condicionada por el hecho de que el modelo, es al mismo tiempo, un tipo de reflejo del objeto original. Durante la investigación, el modelo elaborado actúa como objeto sustituto, relativamente independiente del original investigado, y es algo así como una segunda realidad, por medio de la cual se percibe el objeto que nos interesa. En este caso, pasa a primer plano la objetividad del modelo, su capacidad de servir de objeto de investigación que sustituye; dentro de ciertos límites, al propio objeto que se estudia.

Teniendo en cuenta lo anterior se puede definir la modelación como: El método de manejo practico o teórico de una sistema por medio del cual se estudiara este, pero no como tal, sino por medio de un sistema auxiliar natural o artificial, el cual, desde el punto de vista de los intereses planteados, concuerda con el sistema real que se estudia. Es decir, es el método que opera de forma practica o teórica con un “objeto”, no de forma directa, sino utilizando cierto sistema intermedio auxiliar (natural o artificial), el cual se encuentra en una determinada correspondencia objetiva con el “objeto” modelado y esta en condiciones de sustituir el “objeto” que se estudia, en determinadas etapas de la investigación, permitiendo obtener determinada información susceptible de comprobación experimental [Recarey 1999], siendo de estricto cumplimiento la existencia de:

• Una concordancia objetiva con el propio sistema, es decir, una determinada correspondencia objetiva con el objeto mismo de la investigación.

• En cierta etapa de la investigación, está en condiciones de sustituir, en determinada relación, al objeto mismo que se estudia.

• La propiedad de suministrar información sobre el sistema que nos interesa, es decir, ofrecer información sobre el objeto en el proceso de investigación.

• Contar con determinadas reglas, mediante las cuales la información del modelo pueda transformarse en información de sistema u objeto.

La descripción del sistema se debe organizar en una serie de objetos simples, o subsistemas. El propósito de formar objetos simples es simplificar la especificación del las interacciones dentro del sistema en estudio. Cada objeto simple describe parte del sistema en investigación. Luego puede describirse el sistema como un todo en términos de las interconexiones y relaciones de los objetos simples, conformando de esta forma el objeto complejo o sistema en su conjunto. La relevancia se refleja en el proceso de modelación, debido a que el modelo solo debe incluir los aspectos del sistema más relevantes al objeto de estudio. Aunque la información irrelevantes no perjudica, se debe excluir debido a que aumenta la complejidad del modelo y genera mas trabajo en la solución del mismo. [Recarey 1999] En el proceso de modelación no es posible suministrar reglas según las cuales se construyan modelos, aunque se pueden expresar una diversidad de principios utilizados en la modelización. Estos principios no describen los pasos a seguir para la construcción de un modelo, sino que reflejan los distintos puntos de vistas desde los cuales sé puede juzgar la información a incluir en el modelo. Estos principios de forma general se pueden expresar mediante los siguientes aspectos: Definición de objetos simples, relevancia, exactitud y agregación. La descripción del sistema se debe organizar en una serie de objetos simples, o subsistemas. El propósito de formar objetos simples es simplificar la especificación del las interacciones dentro del sistema en estudio.

Cada objeto simple describe parte del sistema en investigación. Luego puede describirse el sistema como un todo en términos de las interconexiones y relaciones de los objetos simples, conformando de esta forma el objeto complejo o sistema en su conjunto. La relevancia se refleja en el proceso de modelación, debido a que el modelo solo debe incluir los aspectos del sistema más relevantes al objeto de estudio. Aunque la información irrelevantes no perjudica, se debe excluir debido a que aumenta la complejidad del modelo y genera mas trabajo en la solución del mismo. La exactitud de la información que se recabe en el proceso de modelación y por otra la agregación permite agrupar distintas entidades individuales o objetos simples en entidades más grandes o objetos complejos y a su vez la agrupación de estos objetos complejos en sus clases. En dependencia de las clases de leyes a las cuales se someten los objetos modelados la modelación pueden dividirse en tres tipos:

• modelación de objetos sometidos a rígidas leyes deterministas. • modelación de objetos sometidos a leyes estadísticas. • modelación de objetos que no están sometidos a ninguna ley.

Las diferencias entre estos tipos de modelación se manifiestan con mayor precisión en el aparato matemático utilizado. [Recarey,1999] La definición de modelación esta ligada al termino: modelo, el cual se puede definir como: el cuerpo de información, relativa a un sistema, recabado para fines de estudiarlo, es decir, cualquier sistema que haga las veces de representación de otro sistema, incluso puede tratarse del mismo sistema en cuestión [Recarey, 1999]. Como el propósito del estudio determina la naturaleza de la información que se reúne, no hay un modelo único del sistema en estudio. Los distintos analistas interesados en diferentes aspectos del sistema o el mismo analista producirán distintos modelos del mismo sistema según cambie su compresión del sistema [Recarey, 1999]. De esta definición de modelación se desprende los cuatro rasgos fundamentales del modelo: Correspondencia objetiva con el objeto modelado; la capacidad de sustituir el objeto que se conoce, en determinada etapa de la investigación; la capacidad para ofrecer, en el curso de la investigación, una determinada información susceptible de comprobación experimental y la existencia de reglas precisas para pasar de la información que nos ofrece el modelo a la información sobre el propio objeto modelado. Generalmente el proceso de modelación se trata de dividir en forma genérica en dos tareas o fases: la determinación de la estructura del modelo y el suministro de los datos o información del comportamiento del sistema. La primera fase establece la frontera del sistema e identifica las entidades, atributos y actividades del mismo. En la segunda, la información o datos proporcionan los valores que los atributos pueden tener y definen las relaciones involucradas en la actividad ambas tareas se deben definir mas como componentes de una tarea más compleja que como componentes separados; esto ocurre

debido a que, por lo general, están tan íntimamente relacionada que no se pueden llevar a cabo una sin ejecutar la otra. Se ha vuelto imprescindible la obligada atención que la construcción de modelos acarrea ya que: primero, requiere de una rigurosa adherencia a propósito; el objetivo a estudiar debe estar constantemente presente en el proceso de modelación a fin de que el modelo apropiado salga a la luz, segundo, la construcción de modelos es un balance armonioso de oposiciones; por una parte el modelo debe ser lo suficientemente simple de manipular, lo que significa que debe ser necesariamente una abstracción de la realidad y por otra, debe ser lo bastante complejo como para parecer un espejo del sistema que representa. Al alcanzar finalmente el balance armónico requiere de astucia y conocimiento. [Recarey 1999] Se han establecido diferentes esquemas para tratar de explicar el proceso de modelación de los problemas ingenieriles, pero uno de los más completos consultados es el de la figura 1. Se han establecido diferentes esquemas para tratar de explicar el proceso de modelación de los problemas ingenieriles, algunos generales [Melli Piralla 1986; Sowers 1975], y otros particulares para el caso de los problemas de la geotecnia [Becker 1996; Meyerhof 1970], donde los análisis son mucho más complejos dada la heterogeneidad de los suelos y lo difícil que resulta contar con resultados representativos en sus condiciones naturales. En todos los casos se trata de estudiar el problema a partir de subdividirlo en diferentes aspectos, normalmente en el estudio del comportamiento de los materiales, las cargas y el esquema de la estructura o el terreno, que puedan a su vez ser evaluados por modelos más simples su comportamiento. Para los fines del trabajo el esquema mostrado en la figura 1, aunque expresa de forma simplificada el proceso de modelación, resume eficientemente los aspectos que queremos profundizar. En todos los casos se trata de estudiar el problema a partir de subdividirlo en diferentes etapas: La primera etapa en la modelación es la definición del problema, la cual, pretende definir la problemática a resolver. Esta fase esta delimitada por el problema en cuestión que se pretende resolver, tal y como se presenta en la naturaleza o en la realidad. Esta primera etapa de este proceso es la de fenómeno físico real que en si, es el problema físico que se desea resolver, con todas sus particularidades, especificaciones y detalles que lo hacen singular y diferente a cualquier otro. En el proceso de modelación de un problema real se toman los aspectos más relevantes que son significativos en el problema modelar y se desechan aquellas cuestiones de menor significación. La segunda etapa de la modelación es el modelo físico, esta relacionado con el estudio de requisitos, atributos, aspectos físicos reales y agentes actuantes entre otros aspectos de interés (fenómeno físico real). Una vez identificado y conocidos estos aspectos se hace necesario la construcción de un modelo del problema a resolver, aspecto relacionado con el modelo físico o esquema de análisis. Esta modelos físico esta estructurado en varios

submodelos como son: modelo geométrico, modelos de cargas o agentes externos, modelo constitutivo o modelo del material y modelos de vínculos y/o restricciones. En esta etapa se asume que los aspectos no esenciales o secundarios serán desechados; conservando aquellos elementos principales y esenciales que lo caracterizan. De este modo se puede representar todas las etapas de proceso de modelación física. Como aspecto singular en esta etapa se introduce la modelación de los estados patológicos, lesiones o manifestaciones que se evidencian en el proceso de estudio. Este aspecto es un elemento opcional en función de las cuestiones que se estén estudiando. La modelación de estos fenómenos se puede realizar a través del empleo de modelos constitutivos basados en teoría de daño o fundamentados en las leyes de la mecánica de la fractura o discontinuidades fuertes. Otra forma de tomar este aspecto es empleando métodos de modelación discreta o microestructural que en esencia pueden describir con fiabilidad todos estos procesos. Una alternativa es introduciéndole al modelo variaciones geométricas que estén identificadas con algunos de los procesos patológicos en sí. Otra alternativa es modificando algunas condiciones de los modelos de apoyo o vínculos. Se debe destacar el hecho de que el fenómeno físico, en el caso particular de la ciencia de la ingeniería geotécnica y estructural esta determinado por los elementos de la edificación, estructura, u obra de ingeniería y por el terreno donde subyace la misma además de los agentes internos y externos que actúan sobre esta, los cuales, presentan un nivel de relación determinado. En el proceso de simplificación de la realidad para la creación de cierto modelo físico se emplean diferentes modelos preestablecidos en el campo de la ingeniería [Recarey, 1999]:

• Modelo de la partícula o de sistemas de partículas. • Modelo continuo. • Modelo de cuerpo rígido. • Modelo de cuerpo deformable.

Estos modelos físicos son los que con mayor frecuencia son empleados en la mecánica estructural. La partícula, es el cuerpo material de cuyas dimensiones se puede prescindir en las condiciones de un cierto problema, pero no así de su masa, es decir, es un modelo de una porción pequeña de la materia, cuyas dimensiones o tamaño no tiene importancia en el análisis de un determinado problema físico. En determinados problemas de la mecánica no es posible quedar satisfechos con aproximar el sistema a una sola partícula, sino que debe ser tratado como un conjunto de partícula, es decir, mediante un modelo de sistema de partículas. El sistema en sí mismo puede ser un cuerpo sólido o uno fluido, y el tipo de interacción entre las partículas individuales dependerá de la clase de sistema en estudio. En la mecánica del sistema de partículas actuarán fuerzas externas sobre determinadas partículas y las fuerzas interactivas entre todas las partículas del sistema.

FIGURA 1….

El modelo del medio continuo se emplea cuando la naturaleza molecular de la estructura de la materia esta bien establecida, sin embargo es la mayor parte de las investigaciones relacionadas al comportamiento de los materiales cuando se analiza al material como un todo, lo que sé esta suponiendo es que la materia se distribuye en forma continua en todo el volumen, lo que implica despreciar los espacios intermoleculares. Un cuerpo físico es una porción limitada de materia que tiene un volumen. El cuerpo puede clasificarse como rígido o deformable. Un cuerpo tal que dos puntos arbitrarios de él mantienen invariable la distancia de separación, independientemente de que tipo de fuerza se aplique, será un modelo de cuerpo rígido. Es obvio que cuando se modela un cuerpo como rígido, su forma exterior será la misma y además no existirá cambio alguno en la orientación de las fuerzas. Si bien es cierto, en realidad todo cuerpo físico experimenta deformación, es decir, cambia de dimensiones cuando soportan la acción de cargas aplicadas, en determinados análisis se preside de dichas deformaciones y entonces del modelo de cuerpo rígido resulta sostenible, en caso contrario se emplea el modelo de cuerpo deformable. Los modelos físicos en algunas ocasiones rompen con la costumbre generalizada de asociar los modelos con ecuaciones, ya que en ellos los atributos de las entidades del sistema se representan mediante unidades físicas y las actividades del sistema son reflejadas por las leyes físicas que subyacen al modelo. Se agrupan en esta clasificación los modelos a escala que se utilizan en los túneles de viento, y en el estudio del comportamiento de estructuras en modelos reducidos. Para ello se hace necesario establecer correctamente las leyes de la similitud que permiten realizar las deducciones exactas relativas al comportamiento de un sistema a escala natural a partir del modelo a escala. Se incluyen en esta clasificación los modelos icónicos, los cuales son semejantes al sistema que modelan. Tanto los modelos icónicos como los modelos a escala son modelos físicos, motivo por el cual los especialistas [Recarey, 1999] expresan que esta clasificación de los modelos es la más general de todas las reflejadas en la literatura sobre la temática. Modelar e interpretar un acontecimiento a partir de la realidad objetiva y de aquí al pensamiento abstracto, para luego comprobar mediante procedimientos analíticos y experimentales la correspondencia entre esa interpretación y la realidad, es la esencia de proceso de modelación, aspecto que caracteriza la creación de un modelo físico en sí. En el modelo físico se conserva pues un numero finito de propiedades del objeto o fenómeno: En particular aquellas que más fuertemente influyen sobre las características que interesan al investigador, es decir los materiales, la geometría de la estructura, las acciones o cargas presentes en la misma, las condiciones de apoyo y de las ligaduras, y las patologías que están presentes o no como parte de estas propiedades del objeto según lo que se desea lograr con la modelación. [Recarey 1999] Para los materiales se han utilizado diversos modelos constitutivos hasta hoy, unos más alejados y otros mucho más acertados entre los que se encontran los siguientes.

• Modelo elástico lineal y no lineal • Modelo plástico

• Modelo viscoso • Modelo elasto-plástico • Modelos de Daño • Modelos reológicos • Modelo visco-elástico • Modelo visco-elástico-plástico

Las cargas o acciones externas sobre una estructura pueden simplificarse de varias maneras; como acciones muertas o gravitatorias, acciones vivas, temporales o de uso, acciones de naturaleza ecológica como el viento, nieve y sismo, acciones muy particulares como las tecnológicas, los gradientes de temperatura, los desplazamientos de apoyo, entre otras. Cada una de ellas introduce simplificaciones en su modelo y son tratadas con magnitudes que permiten un margen de seguridad necesario en el mismo. El tratamiento de estas cargas permite reducir las incertidumbres que se asocian a ellas en el proceso de análisis y diseño en la modelación, el empleo de valores característicos y su justificación estadística, permite además el trabajo con magnitudes no reales pero que se acercan cada vez más a su acción verdadera. Por otro lado, a partir de su forma de acción, estas son simplificadas a acciones distribuidas de manera lineal, uniforme y no uniforme en un área, con variación en su magnitud respecto a la longitud de acción, concentradas como magnitudes lineales y puntuales, concentradas como magnitudes angulares, combinaciones entre ellas, entre otras formas simplificadas. En cuanto al modelo de la geometría se debe determinar un esquema que representa las principales características geométricas de la estructura y/o terreno. Su determinación implica identificar la parte de la construcción que desarrolla funciones estructurales y eliminar la parte que no influye significativamente en la respuesta de la estructura. Requiere representar la estructura por medio de un arreglo de componentes estructurales básicos, cuyo comportamiento estructural puede conocerse y definir las propiedades geométricas equivalentes de estos componentes básicos. [Meli, 1986] La modelación de las manifestaciones patológicas dentro del modelo físico es una etapa opcional dentro de este proceso que solo se aplica cuando se estudian los problemas de restauración de estructuras y es necesario conocer el estado técnico de las mimas una vez dañadas. Para la modelación de las manifestaciones patológicas se emplean técnicas de teoría de daño, discontinuidades fuertes, o la modelación del daño o patologías a través modelar geométricamente las discontinuidades o desperfectos que presenta la manifestación patológica en si. En caso de modelación de materiales compuestos se puede utilizar teoría de homogenización o realizar modelos compuestos que tomen en cuenta todos los materiales que intervienen en el proceso de modelación. Adicionalmente en el caso de materiales compuesto se emplean técnicas de avanzada de micro modelación y se combinan estas con simulaciones que se desarrollan a escala macro. En este proceso combinado de la macro y micro escala de modelación se emplean ensayos virtuales para la obtención de las propiedades constitutivas de los materiales.

El proceso de modelación en el caso de que se estudien estructuras con manifestaciones patológicas se realiza en diferentes etapas:

• Modelación de la estructura en su estado original • Modelación de la estructura con sus lesiones, patologías, manifestaciones y

procesos morbosos. • Modelación de las diferentes variantes que se estimen para la rehabilitación de la

estructura. En el caso puntual de la modelación primeramente se procede a modelar la estructura en su estado original y con posterioridad se realiza la simulación de las patologías estructurales detectadas, para contraponer los mismos con las diferentes lesiones y manifestaciones patológicas existentes en la estructura. El modelo matemático, como cualquier otro, es un determinado objeto que sustituye con precisión al original en una relación determinada. Cuando se hace referencias a los modelos materiales; en ellos la sustitución señalada se obtiene, bien a cuenta de la semejanza de estructura-isomorfismo, ó bien por analogía en la conducta o funcionamiento del sistema-isofuncionalidad. Sin embargo, la modelación matemática, en el sentido estricto de la palabra, trata más bien con la descripción de procesos modelados en el lenguaje de la matemática que con la comparación de su estructura física. Debido a que la matemática hace abstracción del contenido concreto del objeto y de sus interrelaciones especificas durante la investigación, el modelo matemático puede examinarse, en el sentido más amplio de la palabra, como una estructura matemática abstracta, en la cual los objetos reales y las relaciones concretas entre ellos, son sustituidos por objetos abstractos y relaciones matemáticas. En las aplicaciones concretas de la matemática, hasta ahora ha habido que vérselas casi siempre con el análisis de diferentes magnitudes y de la correlación entre ellas. Es por eso que el modelo matemático es frecuentemente definido como estructuras abstractas, en la cual las magnitudes reales son sustituidas por conceptos matemáticos, por magnitudes constantes y variables y por funciones. Este enfoque del modelo matemático nos ofrece en su conjunto una adecuada imagen de la dirección fundamental en la matematización del proceso de investigación en general. Todos estos aspectos hacen referencia a la clasificación ‘o subdivisión de los modelos matemáticos en estáticos y dinámicos. El modelo matemático estático, despliega las relaciones entre los atributos del sistema cuando este esta equilibrado. Si se cambia el punto de equilibrio, alternando uno o más de los atributos, el modelo permite deducir los nuevos valores de todos los atributos, pero no muestra la manera en que cambiaron a sus nuevos valores.

Por su parte el modelo matemático dinámico permite deducir los cambios de atributos del sistema en función del tiempo. Estos modelos son capaces de en presencia de una información apropiada, ofrecen pronósticos determinados y de significado único. Dependiendo de la complejidad del modelo, la deducción puede hacerse con una solución analítica o numérica. [Recarey 1999] Desde el punto de vista semiótico, el modelo matemático constituye un sistema de signos construidos con ayuda de un lenguaje lógico-matemático. La diferencia entre este sistema y los demás, consiste en que sus signos o símbolos no son simplemente símbolos convencionales, sino que están sometidos a ciertas reglas de constitución y, sobre todo, de transformación [Recarey, 1999]. La tercera etapa consiste en que al modelo físico de la estructura representado a través del esquema de análisis puede ser estudiado por diferentes modelos matemáticos de uno u otro tipo y de diversas complejidades. En el campo de la modelación estructural se destacan dos tipos fundamentales de modelos matemáticos:

• Modelo operacional basado en la aplicación directa de las ecuaciones de Newton. • Modelos energéticos o variacionales basados en la aplicación de los teoremas de

trabajo y conservación de la energía de los cuerpos deformables. El modelo matemático queda perfectamente expresado cuando se define sus elementos, es decir, la región, las condiciones, iniciales, de contorno o borde y de vínculos; además de las ecuaciones que describen el modelo físico o ecuaciones de gobierno del problema. En el caso de ese ultimo elemento esta muy íntimamente relacionado con el tipo de modelo matemático. Si se emplea un modelo operacional las ecuaciones a emplear son:

• Ecuaciones de equilibrio • Ecuaciones geométricas • Ecuaciones compatividad • Ecuación físico constitutiva.

En el caso contrario se emplean las ecuaciones derivadas del teorema de trabajo y conservación de la energía, que en este caso responde a la formulación energética del problema. La cuarta etapa permite al ya haber establecidos los modelos, la integración y resolución de los mismos a través de diferentes métodos de solución, luego se realizan los procedimientos de diseño para obtener la solución del modelo del problema real, introduciendo en esta solución, de alguna forma, un margen de seguridad que garantice que la solución obtenida sea lo mas representativa posible de la real. [Recarey, 1999] Los modelos matemáticos de solución se pueden clasificar en modelos analíticos y numéricos. En el caso de estos últimos en el campo de la ingeniería se destacan: el método de las características, de diferencia finita, de elementos de contornos y por su puesto el más versátil y empleado en este campo el de los elementos finitos.

Como es lógico, antes de realizar la solución definitiva del modelo matemático es necesario realizar ensayo, o al menos, un número mínimo de ensayos reales, con el objetivo de obtener las variables de respuesta o control, que a su vez son los patrones de calibración del modelo numérico en este caso. Las variables de respuesta o control son cuantificadas a través de técnicas de instrumentación. La posición de colocación de los sensores y la cuantificación de las variables de respuesta que registran los mismos son los patrones de calibración. Después de realizar los ensayos reales se procede a concebir la modelación y con posterioridad, la simulación y la calibración del modelo numérico. En el estudio de calibración es necesario emplear técnicas de superficie de respuesta, combinando la interacción o interrelación entre los factores y las variables de respuesta correspondientes. De este estudio, se puede dilucidar el peso de cada factor en función de su cuantificación y a su vez, la influencia del mismo en las variables de respuesta estudiadas. De este modo, los investigadores conocen la influencia de cada factor en las variables de respuestas investigada, aspecto que viabiliza la calibración del modelo numérico. Una vez calibrado el modelo numérico, se puede proceder a realizar con efectividad el método matemático de solución que posibiliten realizar estudios correspondientes. La quinta etapa de la modelación corresponde al Análisis de los resultados. Cabe destacar la importancia fundamental del módulo de procesamiento, clasificación e interpretación de los resultados en el proceso de modelación analítica, pues los resultados deben ser ordenados, clasificados y contrapuestos con los resultados de las etapas de modelación experimental o contra el propio fenómeno físico que se pretendió modelar . El dominio de esta técnica operatoria para la clasificación, representación y ordenamiento de los resultados, es un proceso de conocimiento previo en el proceso de modelación estructural, pero el procesamiento e interpretación de los resultados tiene un especial significado e importancia, porque la compresión de los resultados y su correspondencia con el fenómeno físico real, es la clave del éxito en el proceso de modelación. [Recarey 1999] La sexta etapa corresponde a la solucionan a través de diferentes Métodos de diseño y seguridad para obtener la solución del modelo del problema real, que no es idéntica a la que se obtendría si se pudiera analizar el mismo de forma directa, por lo que resulta evidente que en dicho proceso es necesario introducir de alguna forma un margen de seguridad, que garantice que la solución obtenida sea lo más representativa posible de la real y que siempre las posibles diferencias puedan ser tomadas por la seguridad introducida. Y la séptima y última etapa de la modelación seria la Solución al problema real Finalmente podemos afirmar que la modelación es uno de los métodos que ha evolucionado el ámbito ingenieril y sin lugar a duda permite afirmar la evolución del diseño estructural junto con ella, por lo tanto resulta más apropiado decir que:

“El diseño estructural es el arte de usar materiales que cada día conocemos mejor, para formar estructuras estudiadas a partir de modelos que cada vez se asemejan más a ellas, de manera que resistan cargas que estimamos con mayor exactitud, todo esto en modo tal que el publico se de cuenta que nos acercamos más a la respuesta real del problema estudiado.” 3.0- APORTACIONES DE INVESTIGACIONES BÁSICAS (TESIS

DOCTORALES) AL CAMPO DE LA MODELACIÓN E INTRUMENTACIÓ, LAS CUALES SON EL SUSTENTO TEORICO EN LA RESOLUCIÓN DE PROBLEMAS RELAES DE ALTO NIVEL DE COMPLEJIDAD.

Como parte de esta política de formación científica (tercer ciclo) desde nivel de maestría hasta doctorado se han desarrollado investigaciones relevantes y apostadoras al campo de la ciencia, en específico en temas de modelación e instrumentación, y muy singularmente la combinación de ambas técnicas para resolver los complejos problemas que se presentan en el mundo empresarial. En este sentido los profesionales de CIDem han desarrollado las técnicas de modelación e instrumentación y han utilizado estas técnicas con dos finalidades o vertientes fundamentales, tal y como se muestra en la figura 2.

Figura 2: Usos de la modelación. En la tesis doctoral “Modelación de las estructuras y el terreno” se realizan aportaciones novedosas al campo de la ciencia. En este caso se desarrollan nuevas ecuaciones constitutivas que sirven para describir el comportamiento del material. Se desarrollan técnicas de ensayo para caracterizar materiales. Se establece una potente herramienta matemática para determinar los parámetros constitutivos de los modelos del material. Se desarrollan diversas técnicas de calibración de modelos numéricos. Adicionalmente se realizan aportes relevantes al desarrollo de las técnicas de modelación del problema de interacción terreno-estructura en el caso de estructuras discretas apoyadas sobre diversos tipos de cimentaciones. De modo análogo se establece una nueva formulación del método

MODELACIÓN

USOS DE LA MODELACIÓN

ENSAYOS A ESCALA

REDUCIDA Y NATURAL.

CALIBRACIÓN DE LAS

NORMATIVAS EXISTENTES.

MODELACIÓN

INSTRUMENTACIÓN, PRUEBAS DE CARGA.

DISEÑO Y/O REVISIÓN DE PROBLEMAS

INGENIERILESCOMPLEJOS.

de los elementos finitos con enfoque no estacionario. Se desarrolla, diseña y construye un equipamiento triaxial (inexistente en el país) para realizar ensayos que permiten obtener los parámetros constitutivos necesarios para el proceso de modelación. Se aplican todos estos resultados a la resolución de problemas complejos de ingeniería. Desde este punto de vista este trabajo científico realizan aportaciones novedosas y relevantes en varias de las etapas del proceso de modelación explicado en el acápite anterior. Los resultados de este trabajo sirvieron de fundamento básicos para la resolución de diversos problemas ingenieriles complejos del mundo empresarial, que han sido solucionados por el colectivo de la ENIA y el CIDem. Se puede ejemplificar por ejemplo: Obras de Alto Valor patrimonial, Puertos, Operación Triunfo y Aeropuertos. La tesis Doctoral “Análisis del comportamiento geotécnico de las cimentaciones sobre pilotes sometidas a carga axial mediante la modelación matemática” realiza aportaciones notables al campo de la ciencia en específico al desarrollo de la modelación y instrumentación de pilotes. Con los resultados de este trabajo se logro establecer y consolidar en Cuba la nueva Norma de Diseño de Pilotes. Como colofón de este trabajo se han realizado todos los trabajos relacionados con los puertos y su certificación de la capacidad portante. Como ejemplo de la tesis se estudio (parte de un servicio conjunto entre la ENIA y el CIDem) el comportamiento de las diversas soluciones que se proyectaban para ejecutar el viaducto de la ciudad de Matanzas. Adicionalmente este trabajo es la base fundamental que posibilito enfrentar la solución de cimentación del hotel Parsea. La tesis doctoral “Modelación matemática en el Diseño Estructural de Cimentaciones Superficiales” desarrolla aportaciones relevantes al campo de la modelación. Perfecciona y mejora las técnicas de calibración de modelos numéricos. Se establecen procedimientos generales para desarrollar los problemas de modelación. Como resultado de este trabajo se realizó la propuesta de Norma Cubana de Diseño Estructural de Cimentaciones Superficiales que se acaba de aprobar en el CONCE. En el trabajo se desarrollan técnicas de modelación con teoría de daño muy apropiadas para modelar problemas patológicos y de otra índole. Los resultados de este trabajo sustentan varios aspectos y soluciones realizadas en obras de alto valor patrimonial, puertos y aeropuertos, entre otras obras de interés. La tesis doctoral “Capacidad de carga en cimentaciones superficiales” presenta como novedad que fue uno de los trabajos en que se sustenta la norma cubana de diseño de cimentaciones superficiales. A su vez ha servido como punto de partida o génesis de los trabajos que se han realizado en pilotes y en diseño estructural de cimentaciones. Sus aportaciones han sido muy valiosas para resolver los diferentes problemas de ingeniería de alto nivel de complejidad que se ejecutaron dentro de los trabajos conjuntos de la ENIA y CIDem. En la tesis doctoral “Optimización y proyección de cimentaciones de edificaciones industriales en las condiciones de Cuba.” Se sustentan todas las bases para la instrucción de la teoría de la seguridad en Cuba. Este trabajo es la base de la introducción de la seguridad en las diferentes normativas y códigos de diseño en nuestro país. La aplicación

directa de este trabajo esta soportado en las Normas de Diseño Geotécnicos de Cimentaciones Superficiales y de Pilotes. Este aspecto es medular para el desarrollo y resolución de los complejos problemas de ingeniería que se han resuelto en el trabajo conjunto entre la ENIA y el CIDem. La tesis doctoral “Enfoque metodológico integral y sistémico para el estudio e investigación de obras de alto valor patrimonial” realiza una aportación muy marcada y novedosa el desarrollar una metodología que permite realizar los estudios de diagnostico y restauración de edificaciones sobre bases científicamente justificadas. Este trabajo es el embrión y célula base fundamental de todos los trabajos de restauración que ha desarrollado el grupo multidisciplinarios que integran los especialcitas de la ENIA y el CIDem. Este trabajo ha permitido generalizar el enfoque de trabajo al caso de puertos, aeropuertos y otras obras de diversas finalidades. Se han desarrollado más trabajos de doctorados y maestrías en esta dirección. Por un problema de espacio no se reflejan en el contenido de este trabajo. Los mismos son el sustento teórico fundamental de los servicios que se prestan entre la ENIA y el CIDem en la resolución de problemas de alto nivel de complejidad. 4 - FUNDAMENTACIÖN TEORICO CONCEPTUAL DEL ENFOQUE DE

TRABAJO Y LA METODOLOGÍA. Las experiencias actuales en los trabajos de conservación y rehabilitación de edificaciones, sobre todo las de importancia patrimonial, siguen una determinada tendencia y demuestran que:

• El correcto diagnóstico, sobre bases científico-técnicas, es la garantía de la calidad y eficacia del proyecto de intervención, restauración y conservación.

• El trabajo en equipo interdisciplinario, la investigación del inmueble en forma sistémica y la integración de los resultados, es lo más novedoso y aceptado en la actualidad a nivel mundial.

Los trabajos de investigación y diagnóstico realizados por la Oficina ENIA-CIDEM a diferentes construcciones en varias provincias del país en los últimos tres años, han aplicado estos conceptos y se han constituido en referencia a nivel nacional. De igual forma, existen valiosas experiencias en la realización de trabajos de diagnóstico patológico que han sido complementados con la instrumentación y modelación de importantes edificaciones patrimoniales de Ciudad de La Habana y otras provincias, lo que permite contar con antecedentes que han sido avalados por diversos organismos. No obstante, es necesario la definitiva formulación de un Procedimiento sistémico e integral para la investigación y diagnóstico patológico de edificaciones patrimoniales que fundamente, estructure, dirija la investigación e integre los resultados de todas las actividades que preceden a la formulación de los proyectos de intervención en dichas edificaciones.

Los resultados de este trabajo pueden tener alto valor científico, actualidad nacional e internacional, y su aplicación en la práctica podría significar un considerable aporte técnico y económico en la salvaguarda del patrimonio inmobiliario. Los estudios de diagnostico de edificaciones de alto valor patrimonial, las cuales incluyen un grupo de actividades como: Estudio histórico, estilístico y patrimonial de la edificación para definir el grado de protección, Inspección y auscultación, Levantamiento patológico, Prediagnostico, Estudio e investigación detallada y Diagnostico, se han realizado sin un carácter sistémico y multidisciplinario donde se empleen de forma conjugada las técnicas de Auscultación y Levantamiento patológico, la instrumentación y caracterización del comportamiento de los materiales y patológicas y la modelación numérica. En la mayoría de los casos esto estudios se realizan de forma aislada y no con un enfoque integral, donde cada una de las técnicas (levantamiento, instrumentación y modelación) contribuya al trabajo de las demás y que a su vez aporten en el esclarecimiento de las causas que propician las diferentes manifestaciones patológicas existentes en las estructuras de alto valor patrimonial. En el caso de la instrumentación y caracterización del comportamiento de los materiales y patologías, es una técnica que posibilita estudiar fenómenos patológicos y vínculos de interrelación entre ellos, cuantificándose las variables de respuesta de forma puntual (puntos de instrumentación) y con el correcto diseño de un sistema de instrumentación se pueden estudiar vínculos de interrelación entre procesos patológicos determinados. Si a las ventajas que presenta la instrumentación y los ensayos se le une las potencialidades de las técnicas de simulación y modelación se dispone con esta combinación de una potente herramienta para los estudios de diversos problemas de ingeniería de alto nivel de complejidad. Las técnicas de modelación es una de las herramientas que se ha puesto de boga actualmente en el campo de la ingeniería y la arquitectura. La búsqueda de vías, que propicien ahorros económicos considerables, es un aspecto esencial en la práctica profesional. Los estudios de modelación encaminados a estudiar y validar las causas que propician las patologías, manifestaciones, fenómenos y procesos patológicos, combinados con técnicas de instrumentación y experimentación como vía de calibración numérica, son una poderosa herramienta para diversos problemas donde se vincule la fiabilidad, seguridad y la economía respectivamente y mucho más cuando las edificaciones presentan una valor patrimonial muy marcado cuyo aspecto le imprime un grado de protección alto. Como es lógico, antes de realizar una proceso de modelación encaminado a estudiar y validar las causas que propician las patologías, manifestaciones, fenómenos y procesos patológicos, es necesario efectuar, al menos, el diseño e instrumentación de la estructura de alto valor patrimonial, con el objetivo de obtener las variables de respuesta o control, que a su vez son los patrones de calibración del modelo numérico de la edificación en este caso. Las variables de respuesta o control son cuantificadas a través de las diversas técnicas de instrumentación. La posición de colocación de los sensores y la cuantificación de las variables de respuesta que registran los mismos son los patrones de calibración en el modelo numérico.

Después de realizar el proceso de instrumentación, se procede a concebir la modelación y con posterioridad, la simulación y la calibración del modelo numérico. En el estudio de calibración es necesario emplear técnicas de superficie de respuesta, combinando la interacción o interrelación entre los factores y las variables de respuesta correspondientes. De este estudio, se puede dilucidar el peso de cada factor en función de su cuantificación y a su vez, la influencia del mismo en las variables de respuesta estudiadas. De este modo, los investigadores conocen la influencia de cada factor en las variables de respuestas investigada, aspecto que viabiliza la calibración del modelo numérico.

Vínculos de interrelación las diferentes fases de proceso de investigación sistémico e integral en obras de alto valor patrimonial. Una vez calibrado el modelo numérico, se puede proceder a realizar un sin numero de modelos (modelación de la estructura o edificación en estado original, modelación encaminada a estudiar y validar las causas que propician las patologías, manifestaciones, fenómenos y procesos patológicos, y modelación de las variantes restauración) que posibiliten estudiar y validar las causas que propician las patologías y a su vez

LEVANTAMIENTO Y CARACTERIZACIÓN DE

PATOLOGÍAS Y MATERIALES

M O D E L A C I Ó N

I N S T R U M E T A C I Ó N

REPRESENTACIÓN GRÁFICA, GESTIÓN Y ADMINISTRACIÓN

DE LA INFORMACIÓN DEL ESTUDIO DE INVESTIGACIÓN.

Sistema integral y sistémico para la gestión y administración territorial, atendiendo al grado de deterioro y nivel de protección de la edificación de alto valor patrimonial.

EESSTTUUDDIIOO EE

IINNVVEESSTTIIGGAACCIIOONNEESS PPAARRAA LLAA

RREESSTTAAUURRAACCIIÓÓNN,, CCOONNSSEERRVVAACCIIÖÖNN YY EELL MMAANNTTEENNIIMMIIEENNTTOO

Estudio histórico, estilístico, tipológico y patrimonial de la edificación para definir el valor de la misma y el grado de protección.

dictaminar las posibles variantes de solución. En estos estudios es muy importante que el modelo este bien calibrado con respecto a los ensayos reales y que a su vez, estos últimos estén perfectamente instrumentados ya que con el modelo se puede estudiar situaciones de explotación que no se han estudiado previamente a través de las técnicas de instrumentación. Este aspecto posibilita abaratar considerablemente los estudios de Diagnostico e instrumentación de las edificaciones de alto valor patrimonial, ya que se explota al máximo las bondades de la modelación siempre y cuando exista un proceso de calibración numérica a partir de un estudio de estabilidad numérica y como es lógico contraponiendo el modelo con respecto a una respuesta física. Si todo el resultado del proceso de estudio e investigación de la edificación de alto valor patrimonial se logra representar gráficamente (GIS) y a su vez se combina con el diseño de un sistema de bases de datos (base documental y fotográfica) que contenga una seria de campos interrelacionados con las diferentes investigaciones realizadas y las futuros procesos de restauración y conservación, permite obtener un eficiente sistema de gestión y administración de la información de los estudios de investigación y del proceso de conservación y rehabilitación de la edificación de alto valor patrimonial. Finalmente este enfoque sistémico debe aplicarse a nivel territorial, , lo que permite tener un inventario detallado del estado técnico de las diferentes zonas protegidas y de alto valor patrimonial. Este aspecto de igual modo que los estudios de investigación presentan la posibilidad de diseñarse herramientas computacionales para manejo (gráfico y documental combinado técnicas gráficas – GIS - y de bases de datos) eficiente de la información propiciando el surgimiento de Sistema territorial, integral y sistémico para la gestión y administración atendiendo al grado de deterioro y nivel de protección de las edificaciones de alto valor patrimonial.

5.0 - ASPECTOS CONCEPTUALES DE LA METODOLOGÍA DE INVESTIGACIÓN PARA EL DIAGNOSTICO Y ESTUDIO INTEGRAL Y SISTEMICO PARA LA REHABILITACIÓN, MANTENIMIENTO Y CONSERVACIÓN DE LAS OBRAS DE ALTO VALOR PATRIMONIAL.

De modo resumido se puede expresar que la metodología integral y sistémica para realizar estos trabajos se resumen en:

• Estudio Documental. • Levantamiento Geodésico. • Levantamiento Arquitectónico. • Levantamiento Patológico. • Análisis del problema y formulación de la hipótesis. • Instrumentación. • Caracterización de los materiales presentes en el inmueble. • Modelación Estructural. • Análisis de los resultados y propuesta de intervención.

En el proceso de diagnostico y levantamiento patológico de las estructuras de se sigue una secuencia lógica de pasos, que permiten realizar un correcto estudio patológico de la misma. Este proceso de investigación queda detalladamente definido por:

• Estudio para definir el valor patrimonial del inmueble y su grado de protección. • Estudio Tipológico de la edificación de alto valor patrimonial. • Estudio preliminar de los materiales que conforman la edificación de alto valor

patrimonial. • Procedimientos de auscultación preliminar de las estructuras de alto valor

patrimonial. • Inspección de l estructuras de alto valor patrimonial. • Levantamiento patológico preliminar de la edificación de alto valor patrimonial. • Estudio de las naturalezas de las enfermedades a través de los cambios

estructurales y procesos morbosos que presenta la estructuras, y elementos componentes de la edificación de alto valor patrimonial.

• Definición preliminar de origen del mal y establecimiento de diagnostico preliminar de la patologías existentes en la edificación de alto valor patrimonial.

• Calificación y clasificación de las enfermedades y patologías según su origen en la edificación de alto valor patrimonial.

• Definición de posibles causas. Hipótesis iniciales de las patologías existentes en la edificación de alto valor patrimonial.

• Aplicar preliminarmente preceptos y remedios para su tratamiento, definición de terapéutica clínica preventiva, que esten acorde con el grado de protección de la edificación y su valor patrimonial.

• Levantamiento patológico detallado de la edificación de alto valor patrimonial • Caracterización de los materiales que conforman la edificación de alto valor

patrimonial. Realización de diferentes ensayos de caracterización y estudio de las estructuras, de la edificación de alto valor patrimonial y sus materiales.

• Diseño y montaje de un sistema de instrumentación de las estructuras o edificación de alto valor patrimonial, con el doble objetivo de caracterizar in-situ los materiales e investigar el comportamiento de las patologías. El sistema de instrumentación tienen que estar acorde con el grado de protección y el valor del inmueble.

• Modelación y calibración de la edificación de alto valor patrimonial, sus patologías y estudios de variantes de restauración acorde con el valor del inmueble y su grado de protección.

• Definición de causas reales. Validación de hipótesis. • Diagnostico del Estado Técnico de la edificación de alto valor patrimonial. • Definición de la terapéutica curativa a aplicar a las estructuras, o edificación de

alto valor patrimonial, ya afectada incluyendo la terapéutica preventiva a fin de proteger a la estructura para su vida futura.

• Proyecto de restauración estructuras o edificación de alto valor patrimonial. • Ejecución de la restauración y conservación.

Enfoque Utilidad

Estudios, auscultación, Estudio más detallado, viable y científicamente fundamentado. levantamiento y defectación

El enfoque conceptual para levantamiento patológico en una estructura o edificación de alto valor patrimonial, está basado en una clasificación de las patologías por tipos y categorías debidos la a diversidad de formas y estructuras que se manifiesta, según constatan los especialistas, lo que hace más complejo el levantamiento patológico y la restauración de estos tipos de estructuras. Es esta una de las razones por la que la envergadura del deterioro y formas de manifestación difiere de una a otra parte de la estructuras de la edificación, sin considerar otros factores del diseño que en una u otra medida han contribuido a ello. Los aspectos mencionados, influyen en el estado técnico actual de la edificación de alto valor patrimonial.

Partiendo del análisis patológico preliminar o inicial del estado técnico de la edificación de alto valor patrimonial, se ha podido establecer un criterio técnico general del grado de conservación o deterioro de cada uno de los elementos o partes constructivas; lo que a su vez posibilita establecer un diagnóstico lo más consecuente posible, dada la magnitud cuantitativa y cualitativa de las patologías y el deterioro. Sobre la base de este análisis es que se debe diferenciar y definir para cada caso y tipo de patología como se realizará el proceso de levantamiento y defectación, aspectos que permitirán definir con claridad el tipo y alcance de la intervención a realizar. La primera fase de estudio es la auscultación de las estructuras, o edificación de alto valor patrimonial y el levantamiento preliminar de las patologías, realizándose a su vez la ordenación de las patologías por familias y ejecutándose estudios individuales de las mismas. Esta subdivisión y clasificación tiene un carácter didáctico ya que en la práctica

Búsqueda y definición concreta de las causas que propiciaron las lesiones, manifestaciones y estados patológicos. Cuantificación de parámetros técnicos y características necesarias para el proyecto de restauración y ejecución de los trabajos.

Estudios de caracterizaciónde los materiales y la estructura

Instrumentación Modelación

Soluciones

Diagnostico

no suelen presentarse asiladamente las patologías, lo normal es que una misma obra o zona se vea afectada por varias familias de patologías al mismo tiempo como es el caso en estudio.

El objetivo central de la defecación y el levantamiento patológico de las estructuras, se ilustra de forma detalla y esquemática a continuación:

Objetivos

Proceso Patológico Diagnósticos Terapéutica

Preventiva CurativaLesiones Síntomas

Toda enfermedad de una estructuras, o edificación de alto valor patrimonial, sigue un proceso patológico cuyo origen es un mal, que posteriormente evoluciona y se manifiesta a través de un síntoma y que, de no atajarse a tiempo, termina en lesiones. Este proceso se representa en el siguiente esquema:

Evolución Síntomas Lesiones Origen

Aparecidas las patologías, o mejor detectadas aquellas en el proceso de auscultación, levantamiento preliminar y detallado de las estructuras o edificación de alto valor patrimonial, la investigación y sus investigadores se afanan:

• En la patología o en el estudio patológico siguiendo un proceso inverso del surgimiento de síntomas y lesiones, estudiándose la naturaleza de las enfermedades, es decir, a partir de la lesiones y de los síntomas, tratar de conocer e identificar el origen del mal.

Evolución Síntomas Lesiones Origen

• Una vez determinadas las causas, calificada y evaluada la enfermedad, lo que es igual, se emite el diagnostico.

• Por último se aplica el remedio o terapia para su tratamiento. En este último caso en esta investigación se emiten terapias curativas y preventivas.

Preventiva

Diagnostico

Terapéutica

Curativa

Estudio Patológico

La metodología del diagnostico empleada en el estudio patológico se representa sintética en el esquema a continuación.

Este esquema permite a la vista de las lesiones (auscultación preliminar de las estructuras, o edificaciones de alto valor patrimonial) realizar una inspección (auscultación detallada) con el fin de identificar las lesiones, independientes una de otras, determinando su recorrido y caracterizando las mismas. A partir de aquí, se recaba la información previa necesaria (planos, detalles constructivos, usos, reformas, datos meterológicos, etc.), al tiempo que se obtiene los datos físicos sobre los síntomas (aparición, situación, morfología, extensión, caracterización física, etc.). Posteriormente comienza el prediagnostico en el que, a la vista del análisis de la información y de los datos anteriores, se establece las hipótesis que se comprueban a través de ensayos, montaje y monitorio de la estructuras (edificación de alto valor patrimonial), con un sistema de instrumentación, modelación y calibración del modelos (contraposición de sistema de instrumentación y el modelo) y análisis de los resultados. Por último se emite un diagnostico que ha de afinar el origen o procedencia, evolución o recorrido, sus manifestaciones o síntomas y finalmente las lesiones. Como trabajo final se realiza el proyecto y ejecución de la restauración.

Diagnostico

Prediagnostico Análisis Hipótesis Estudios

Ensayos

Análisis

Modelación

Instrumentación

Origen

Lesiones

Síntomas

Recorrido

Inspección

SíntomasInformación

EJECUCIÓN DE LA RESTAURACIÓN

PROYECTO DE RESTAURACIÓN • Soluciones terapéuticas. • Soluciones Estructurales. • Modelación de la estructura y Estudio de Comportamiento. • Soluciones técnicas • Proyecto de restauración e ingeniería de detalle.

Lesiones

6 – EXPLICACIÓN ESQUEMÁTICAS DEL PROCESO DE ESTUDIO EN EL CASO DE OBRAS DE ALTO VALOR PATRIMONIAL.

El desarrollo complejo de este acápite aparece en detalles en la Tesis Doctoral “Enfoque metodológico integral y sistémico para el estudio e investigación de obras de alto valor patrimonial”, en este epígrafe se realizará un resumen de las aportaciones más relevantes en este caso para que se tenga una idea de los fundamentos teóricos para la realización de

estos trabajos técnicos en el caso de edificaciones de alto valor patrimonial.

El procedimiento describe cada uno de los puntos que lo conforman, así como la forma en que se desarrollan y el nivel de información que debe alcanzarse en cada uno de ellos. En los puntos de la metodología, relacionados con los ensayos, la instrumentación y la modelación, se describe cómo se realizarán, pero además, se detallan los instrumentos y técnicas utilizados y se brindan una serie de recomendaciones para su correcta utilización, las que garantizan la obtención de los resultados idóneos y así la consecución de un diagnóstico más acertado. La importancia primordial de una obra y el valor arquitectónico e histórico de la misma implican que antes de comenzar los trabajos de investigación es sumamente importante establecer una metodología general que permita enfocar y dirigir estos trabajos tan necesarios e indispensables para la realización de un correcto proyecto de intervención. Una metodología adecuada para el diagnóstico de los daños presentes en una edificación de alto valor patrimonial, así como la determinación de su evolución y pronóstico de desarrollo, deberá repercutir directamente en una mayor calidad de los proyectos de rehabilitación a realizar, y en la obtención de mejores resultados desde el punto de vista científico, técnico y económico. La metodología planteada en los esquemas que aparecen a continuación en las figuras siguientes ofrecen diferentes caminos o formas de trabajo respecto a los Niveles I, II y III, según las características de la edificación objeto de estudio (Grado de Protección, Nivel de Complejidad Estructural y Nivel de Deterioros), dando la posibilidad de saber, para cada caso, qué estudios serán imprescindibles, cuáles tendrán un carácter opcional, de acuerdo al grado de información que se halla alcanzado en la etapa anterior, y cuáles serán considerados innecesarios. Las definiciones referente a grado de protección, nivel de complejidad estructural, nivel de deterioro de la edificación son aspectos que están definidos en la metodología sistemica e integradora y forman parte del contenido esencial del al tesis doctoral “Enfoque metodológico integral y sistémico para el estudio e investigación de obras de alto valor patrimonial”. Como se puede observar en los siguientes tres esquemas en función de las asignación que tomen las variables se define con precisión la profundidad del estudio a realizar para llegar a un diagnostico definitivo.

Esquema I

Hasta Nivel II Y III Hasta Nivel II Hasta Nivel II Obligatorio

Sí

Nivel II. Estudio Detallado

Nivel III. Estudio Avanzado

Propuesta de Soluciones

¿Es posible diagnosticar?

Sí

No

D I C T A M E N

T É C N I C O

¿Es posible diagnosticar?

Estado Técnico R M

Estado Técnico B R M

Complejidad Estructural Alto Medio Bajo

Grado de Protección I Nivel I. Estudio Preliminar

Estado Técnico M R B B

No

Obligatorio Opcional Hasta Nivel III Opcional

Hasta Dictamen Técnico

Metodología general de diagnóstico. Grado de Protección I.

Esquema II

Hasta Dictamen Técnico Hasta Nivel II Hasta Nivel II Obligatorio

Nivel II. Estudio Detallado

Nivel III. Estudio Avanzado

D I C T A M E N

T É C N I C O

Propuesta de Soluciones

¿Es posible diagnosticar?

Sí

No

¿Es posible diagnosticar?

Sí

No

Estado Técnico R M

Estado Técnico B R M

Complejidad Estructural Alto Medio Bajo

Grado de Protección II Nivel I Estudio Preliminar.

Estado Técnico MR BB

Opcional Hasta Nivel III Opcional

Metodología general de diagnóstico. Grado de Protección II.

Esquema III

Hasta Dictamen Técnico Hasta Nivel II Hasta Nivel II Opcional Hasta Dictamen Técnico Hasta Nivel II Hasta Nivel II Opcional

Opcional Hasta Nivel III Opcional

Propuesta de Soluciones

Nivel II. Estudio Detallado

Nivel III. Estudio Avanzado

D I C T A M E N

T É C N I C O

¿Es posible diagnosticar?

¿Es posible diagnosticar?

Complejidad Estructural Alto Medio Bajo

Estado Técnico Estado Técnico M

Estado Técnico B R M B R M B R

No

Sí

No

Sí

Grado de Protección III y IV Nivel I Estudio Preliminar.

Metodología general de diagnóstico. Grados de Protección III y IV.

Nivel I. Estudio Preliminar

Examen Visual Recopilación de Antecedentes

Plan de Diagnóstico

Auscultación y Levantamiento Patológico Preliminar Representación en:

(Plantas, Cortes, Elevaciones, Detalles Constructivos)

Ficha de Antecedentes

Levantamiento Dimensional (Plantas, Cortes, Elevaciones, Detalles Constructivos)

Sí

No

Sí

¿Es posible diagnosticar?

Ensayos rápidos o generales

Caracterización de Materiales (Bibliografía y ensayos)

DIAGNÓSTICO (Dictamen Técnico)

¿Es posible diagnosticar?

Modelación

¿Es posible diagnosticar?

Sí Prediagnóstico

No

Propuesta de Posibles Soluciones

NIVEL II Estudio Detallado

No

Expediente de Diagnóstico

Metodología de diagnóstico Nivel I

Nivel II. Estudio Detallado

Auscultación y Levantamiento Patológico Detallado Actualización en:

(Plantas, Cortes, Elevaciones, Detalles Constructivos)

Sistema de Información Geográfica

GIS

Caracterización Detallada de Materiales

No

DIAGNÓSTICO (Dictamen Técnico)

Modelación

Propuesta de Posibles Soluciones

Prediagnóstico

No

¿Es posible diagnosticar?

Sí

No

Sí

¿Es posible diagnosticar?

Sí

¿Es posible diagnosticar?

NIVEL III Estudio Detallado

Plan de Trabajo

Metodología de diagnóstico Nivel II

Nivel III. Estudio Avanzado

Instrumentación y Sensometría

Modelación

DIAGNÓSTICO (Dictamen Técnico)

¿Es posible diagnosticar?

No

Sí

Propuesta de Soluciones

Metodología de diagnóstico Nivel III

Los anteriores tres esquemas representan esquemáticamente el procedimiento a seguir en cada uno de los niveles correspondientes. Los detalles de este proceso y que hacer en cada una de las etapas han quedado detallados en la tesis doctoral ” Enfoque metodológico integral y sistémico para el estudio e investigación de obras de alto valor patrimonial”.

Metodologías similares a la presentada se ha desarrollado para efectuar los trabajos en Puertos, Aeropuertos y otras obras singulares. Cada una tiene sus especificidades pero todas combinas las técnicas de modelación con las de instrumentación y emplean las técnicas de GIS para representar los resultados de la investigación. Las bases de datos y los mapas temáticos que se obtienen como resultados de la aplicación de las técnicas de GIS son una herramienta muy útil para manipular, gestionar y trabajar con todos los resultados obtenidos en el proceso de estudio de las diferentes obras de ingeniería que se abordan en este trabajo.

7.0 – EJEMPLIFICACIÓN RESUMIDA DE CADA UNA DE LAS APLICACIONES Y LA RESOLUCIÓN DE DIVERSOS Y COMPLEJOS PROBLEMAS DE INGENIERÍA.

A continuación se muestran algunos ejemplos de cada una de vías de utilización de la modelación y la instrumentación en el estudio de distintos problemas ingenieriles.

7.1 - Uso de la Modelación y la Instrumentación en la Calibración de las Normativas existentes.

En la tesis doctoral [Simanca, 1999] se ha realiza un estudio de varios aspectos que presentan una marcada incertidumbre con el objetivo de perfeccionar las normativas de diseño de cimentaciones superficiales. En este caso se aborda el tema de la determinación de la capacidad de carga. A continuación se refleja de modo resumido el estudio de uno de los factores abordados en el trabajo [Simanca, 1999]. Con el objetivo de establecer la influencia del ángulo de dilatancia ψ de los suelos friccionales en su capacidad de carga, en específico en el coeficiente Nγ, se desarrolló una investigación teórica [Simanca, 1999] a partir de la modelación matemática con el uso de software que emplean los métodos numéricos. En la tesis doctoral [Simanca, 1999] se había discutido sobre el proceder para la determinación experimental del ángulo de dilatancia de los suelos, tanto a partir del ensayo de corte directo como a partir del triáxial, obteniéndose:

rp

rpsenφφ

φφψ

sen sen -1sen sen

= ⋅

− [1]

En la investigación se trabajó con el concepto de dilatancia relativa ψr, definida como la relación entre el ángulo de dilatancia ψ y el ángulo de fricción interna del suelo ϕ, según: ψr = ψ / ϕ [2] Para simplificar los análisis se utilizó en el modelo una cimentación corrida, con profundidad de cimentación d=0, profundidad de la cimentación en el estrato resistente D=0, sometida a una carga vertical centrada, e=0 y δ=0, y apoyada en suelo friccional puro con c=0 y ϕ ≥ 25º. Bajo esas condiciones la capacidad de carga de la base de la cimentación se determina según:

γγ Nbbr

q ⋅⋅⋅21

= [3]

Obteniéndose de forma directa el coeficiente Nγ a partir de:

b

N⋅

⋅

γγbrq2

= [4]

Los modelos o criterios de comportamiento de los materiales utilizados fueron para la zapata un modelo elástico y para el suelo un modelo plástico (Mohr-Coulomb). Los valores utilizados de cada uno de los parámetros del modelo fueron: b = 0.1 m ; γ = 18 kN/m3 ; ψr = 0 ∼ 0.5 ; ϕ = 25o ∼ 40o Del modelo se obtiene, al alcanzar la falla general de la base de la cimentación, la capacidad de carga qbr y con dicho valor se determina el coeficiente Nγ según [4]. En la figura 3 se muestran los resultados de Nγ obtenidos de la modelación, así como los valores de dicho coeficiente obtenidos por las siguientes expresiones: ( ) φγ an 150.1)5.1( tNN q ⋅−⋅= [5] ( ) φγ an 10.2)0.2( tNN q ⋅−⋅= [6] De los resultados obtenidos se puede concluir que la dilatancia tiene una influencia significativa en el valor de Nγ, siendo mayor esta a medida que aumenta el valor del ángulo de fricción interna del suelo ϕ, alcanzando variaciones de hasta un 50 % para suelos con ϕ= 40º, cuando la dilatancia relativa ψr varía entre 0 y 0,5, tal y como se aprecia en la figura 3.

0

20

40

60

80

100

120

18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 42

0

1/16

1/8

1/4

1/3

1/2

Ángulo de Fricción Interna φ ( º)

Fact

or d

e C

apac

idad

de

Car

ga N

γ

Dilatancia Relativa

de la dilatancia relativa en el valor de Nγ

tivo entre los valores de Nγ obtenidos por la modelación y [Brinch Hasen 1970; Quevedo-León 1990] y [6]

s Nγ propuestos por Brinch Hasen son muy lativa ψr = 0, incluso para ϕ pequeños son res adoptados por el Eurocódigo 7 son ψr = 0,33, como se observa en la figura 4.

Figura 3: Características del modelo. Influencia Realizando un análisis comparalos resultantes de las formulas [5] [Eurocódigo 1999], se puede apreciar que losimilares a los obtenidos para dilatancia remenores a ellos, mientras que los valoprácticamente iguales que los obtenidos para

Comparación de valores de Ngamma

100120

020406080

25 30 35 40

Fi

Nga

mm

a N(1.5)N(2)N(D=0)N(D=0.33)

De igual forma avalaron la propuesta de nor ntaciones superficiales, guientes conclusiones principales.

• Se demo arcada

• inación de Nγ

n anterior corresponde a un valor de dilantancia relativa de aproximadame

• Del estudio del coeficiente iγ se demostró que el mismo tiene una marcada

ente actúan en nuestras estructuras.

Es ude la no nes superficiales. Además ha servido de base teór a resultados que se reflejan en esta investigación básica fundamental ha servido de fun mresoluc niería de alto nivel de complejidad. Con scomarena [[Broch

Figura 4: Comparación de los valores de Nγ.

se realizaron, con apoyo de la modelación otro conjunto de estudios quema cubana de diseño geotécnico de cime

[Quevedo 2004]. De estos análisis se arribaron a las si

stró que la dilatancia de los suelos friccionales tiene una minfluencia en su capacidad de carga. A partir de los resultados de la modelación se propuso para la determ

por los resultados obtenidos. • La expresió

nte 0.33.

influencia negativa en la capacidad de carga. • Los resultados de la modelación corroboraron que la expresión de Brinch Hansen

para la determinación de iγ da valores satisfactorios para las inclinaciones de las cargas que comúnm

est dio integro de este trabajo permitió perfeccionar y corregir elementos sustanciales

rma cubana de diseño de cimentacioic fundamentar para continuar con otras investigaciones similares. Además los

da ento básico para resolver diversos problemas que se han presentado en la ión de problemas de inge

e te procedimiento se han desarrollado otras investigaciones como la modelación del portamiento de las cimentaciones sobre pilotes, [Ibáñez 2001], cimentaciones en

González Cueto 2001] y del diseño estructural de cimentaciones superficiales, e 2005] con importantes resultados.

7.2 - Uso de la Modelación y la Instrumentación en el Diseño y/o Revisión de

isma para distintas ondicionales y obtener una respuesta lo mas real posible de su comportamiento. En la

Aunque se ha hecho más hincapié (desde el punto de vista teórico en los epígrafes anteriores) en la explicación general de las obras establecido procedim ado par s de obras, siendo las fundamentales las siguientes:

1. Obras de alto valor patrimonial. arias.

4. Otros tipos de obras ingenieriles.

problemas ingenieriles complejos. Para el análisis de problemas ingenieriles de alta complejidad se ha utilizado una metodología única, donde se combinada de forma creativa distintas formas de instrumentación de las estructuras y el terreno con la modelación, de forma de obtener una modelo calibrado de la obra y con el pueda ser estudiada la mcfigura 5 se muestra un esquema que resume dicha metodología y además se le debe añadir el empleo de técnicas de GIF para manejar a nivel de investigación, proyecto y ejecución toda la información acumulada durante todo el proceso.

Estudio más detallado, viable y científicamente fundamentado. Búsqueda y definición concreta de las causas que propiciaron las lesiones, manifestaciones y estados p

Figura 5: Concepción general del método empleado.

de alto valor patrimonial se hana el análisis de distintos tipoientos que se han utiliz

2. Obras portu3. Aeropuertos.

atológicos. Cuantificación de parámetr y características necesarias

os técnicos

para el proyecto de restauración y ejecución de los trabajos.

UUttiilliiddaadd EEnnffooqquuee

Estudios, auscultación, levantamiento y defectación

Estudios de caracterización de los materiales y la estructura

Instrumentación Modelación

Soluciones

Ha continuación se muestra un resumen de los resultados obtenidos con la aplicación de

nálisis de las patologías y propuesta de intervención del Palacio de los Capitanes Generales.

La l de la obra y el valor arquitectónico de la misma implica, que ante s trabajos de investigación se establezca un procedimiento general que r de investigación, con el objetivo de conocer los arámetros técnicos constructivos necesarios e indispensables para la realización de un

1- Estudio Documental.

3-4- Levantamiento Patológico.

muy resumida (ver anexo de que presenta un ejemplo más detall resultados obtenidos en cada una de las etapas del procedim en estudio.

- .

l es un paso primordial dentro de las investigaciones, en el ión que ha tenido el

ños, como por ejemplo modificaciones, añadidos, tervenciones donde se

pudieran encontrar detalles constructivos, soluciones estructurales ya sean

completo y con esos resultados realizar el levantamiento arquitectónico.

Levantamiento Planimetrito y Altimétrico de la Edificación a partir de técnicas

la metodología propuesta en el estudio de los tres primeros tipos de obras, analizando en mas detalle el primer caso. 7.2.1 - Aplicación del procedimiento para el a

importancia primordias de comenzar lo pe mita enfocar y dirigir los trabajos

pcorrecto proyecto de restauración. De forma colegiada entre toda la comisión técnica integrada por las distintas empresas e instituciones se estableció el siguiente procedimiento de trabajo:

2- Levantamiento Geodésico. Levantamiento Arquitectónico.

5- Análisis del problema y formulación de la hipótesis. 6- Instrumentación. 7- Caracterización de los materiales presentes en el inmueble. 8- Modelación Estructural. 9- Análisis de los resultados y propuesta de intervención.

De forma esquemática y

ado) se representa los iento propuesto para la obra

Estudio Documental

El estudio documentamismo se puede encontrar valiosa información sobre la evolucedificio a través de los areemplazos, etc, además de informes de anteriores in

existentes o adoptadas por la intervención en cuestión. Para el caso de estudio fue muy poca la información ingenieril y arquitectónica encontrada, por lo que fue necesario hacer el levantamiento geodésico

- geodésicas.

Tal y como se muestra en la figura 6 fue necesario realizar el levantamiento geodésico completo de la obra, empleando distintas técnicas para ello, obteniendo

toda la información necesaria para posteriormente realizar el levantamiento arquitectónico sobre base digital.

Figura 6: Levantamiento in-situ de la obra tanto planimétrico, altimétrico y volumétrico

de la edificación está formado por el étrico, trabajos que dieron como resultados lo

res altimétricos y volumétricos de la finidos. El levantamiento planim

) de los elementos en un sistema arbitrario de

.

- Levantamiento Arquitectónico.

El levantamiento arquitectónicoplanimétrico, altimétrico y volum s planos de planta corregidos y los valoedificación, estos últimos no estaban de étrico consistió en ubicar la posición (x,yreferencia.

La volumetría se realizó de forma detallada tanto a los elementos estructurales posición (x,y,z) de cada uno, todo el edificio se

encuentra modelado geométricamente de forma tridimensional, incluyendo el

icha maqueta.

Figura 7 Maqueta virtual del edificio.

como decorativos combinando la

sistema de aguas residuales y el aljibe de almacenamiento de agua. Toda el trabajo anterior fue resumido en la maqueta virtual de la edificación, la cual a demás de servir de base para la modelación estructural de la obra, tiene valor por si mismo dada la importación de la edificación estudiada. En la figura 7 se muestra d

- evantamiento Patológico.

l levantamiento patológico tuvo como objetivo el detectar las lesiones que se anifiestan en el inmueble así como sus causas, lo que constituye las base para s recomendaciones que se realizan en este informe con vistas al la realización el proyecto de intervención.

l estudio patológico realizado partió del reconocimiento de las diferentes milias de lesiones: formas de manifestarse, comportamiento, magnitud,

importancia, etc.; to de lesiones aisladas varias, y también se ofrece información sobre la

peligrosidad de las mismas.

studios sistémicos e integradores, con el empleo de s mapas temáticos de patologías. En la figura 8 se muestra un ejemplo de

das las etapas del proceso de restauración.

Figura 8: Levantamiento de las patologías presentes en la obra.

L

Emlad Efa

El análisis de las posibles causas tancomo de la combinación de

Se introduce como aspecto novedoso el uso de técnicas de GIS y representación grafica de las patologías en soporte digital. Este levantamiento en formato electrónico permite realizar elorepresentación de las patologías de uno de los niveles de la edificación. Como se parte de la base que todo los aspectos que son resultados de los procesos de investigación, proyecto y ejecución forman parte de la base de datos del GIF, entonces se dispone de una potente herramienta que posibilita la explotación, gestión y manejo digital de to

- Análisis del problema y formulación de hipótesis

Ya con los problemas detectados en el inmueble producto de las investigaciones preliminares, el levantamiento patológico y el criterio de nuestros expertos formulamos las siguientes hipótesis para un mejor análisis del problema:

• Las grietas horizontales en los pasillos de entrepisos, en muros y en la cubierta deben su causa a procesos térmicos.

• Producto de los efectos de flexión que se generan en el centro de la luz de los vanos se está generando un estado de agrietamiento como consecuencia del agotamiento por tracciones del material en esa zona.

• Las lesiones que se manifiestan en la clave de los arcos, deben su causa a la geometría de los mismos, forma de aplicación de la carga y problemas de rigidez en el arranque.

• La forma de trabajo de la bóveda de cubierta genera estados tensionales complejos, que traen consigo zonas donde se están generando esfuerzo de tracción que agotan el material.

• Las grietas que se observan en el revestimiento de las vigas metálicas que se encuentran hacia Mercaderes deben su causa a la incompatibilidad entre

el acero y el mortero que lo cubre. • Las lesiones que se pueden observar en el cielo raso sobre todo en las salas

de los cañones y en el comedor pueden ser motivadas por sobrecargas actuantes no previstas por corrimiento de los elementos rigidizadores.

• Las patologías presentes en la estructura parecen corroborar un trabajo erales, aunque para establecer

conclusiones al respecto se necesitan de una investigación ingeniero –

-

Con la as hipótesis preeliminares se pro ilos centempera ron algu svaloresmarcad nsor de alambre vibrante se coloco un hilo de ace realizaralambre ales para llevar la unidades relativas del prim En genmod iccon a realizardesplaz

correcto de la cimentación en términos gen

geológica detallada.

Instrumentación.

s fisuras y grietas levantadas con sus respectivced ó a diseñar un sistema de instrumentación con el cual, se colocan todos

sores midiendo en tiempo real diferentes variables de respuesta como: tura, desplazamiento, tensiones, etc.. En algunos casos se realiza

no artificios físicos en el sistema de instrumentación para lograr estimar de fuerzas y tensiones en las zonas donde existían fisuras y grietas muy as por ejemplo: en el ce

ro para poder determinar la fuerza en algunos puntos. Adicionalmente se on correlaciones matemáticas entro los resultados de los censores de vibrante y los defometros line

er censor a unidades de ingeniería.

eral se diseñó un sistema de instrumentación preliminar el que se fue if ando según se iban analizando las variables de respuesta conjuntamente l contraposición del modelo con las patologías, llegando finalmente a

todo un estudio de la estructura pudiendo determinar la relación entre los amientos de diferentes grietas. Se obtuvieron los valores máximos y

mín odeformestudiadatos para poder trabajar con ellos en conjunto con el modelo. En la figura 9 se muestra un esquema de la instrumentación diseñada.

-

esario contar con un estudio erio sobre los parámetros fundamentales que caracterizan a los materiales que la

componen, con estas herramientas se puede obtener una modelación numérica de la edificación muy cercana a su real comportamiento. En esta etapa se siguió la metodología de trabajo que se expone en la figura 10, la cual resultó muy útil en la obtención de las propiedades de la estructura necesaria, para la modelación estructural.

SenMon

im s de temperatura y otras variables de respuesta (desplazamiento, tensiones, aciones, etc.) a los que está sometida la estructura durante los períodos dos. Al igual que para las grietas estos resultados se agregaron a la base de

Figura 9: Esquema de la instrumentación diseñada.

Caracterización de los Materiales.

Para un correcto diagnóstico de la estructura, es nec

sor de Alambre Vibrante tado en Barra de Acero IRAD GAGE SM 5A

Sensor KYOWA BCD 70S

Sensor de Alambre Vibrante IRAD GAGE SM 5A

s

Sensores utilizados en el monitoreo.

ien o gu s

posteriotécnica

-

A partiomponc

as tnoal

s

Clasificación de los materiales componentes.

Ensayos in-situ.

Ensayos virtuales.

Ensayos de Laboratorio.

Búsqueda de información de

archivo.

Figura 10: Trabajos Realizado rización

os los materialescaliza, mortero de

la base de la cimentación. Estos resultados en los que fueron calibrado

Figura 11: Técnicas utilizadas para la caracterización de los materiales.

odelación Estructural

El objetivo esencial de esta etapa es o tridimensional de la estructura, que perm el conjunto, reacción de la estructuras antes los estados tá sometida y la relación existente entre el estado de agrietamiento y el comportamiento estructural de la mism además permite del modelo obtenido conocer información que será muy

s para la caracte de los materiales.

r del procedimiento anterior fue posible caracterizar todentes de la edificación, los que eran madera, acero, piedra

y los suelos de la estratificación de de los materiales se dieron en intervalos de valores rmente con el uso de la modelación. En la figura 11 se nuestra un resumen de la empleadas para la caracterización de los materiales.

M

Parámetros físicos-mecánicos necesarios para la modelación

estructural.

confeccionar un mtar la forma de trabajo d

de cargas a la que es

odelita interpre

a,

útil para evaluar diferentes problemáticas como puede ser cargmuros, sol

a que le transmitectuantes en

los ici s a

vigas, efecto de la variación de la temperatura y otros. Todo este proceso combinado con la instrumentación posibilita definir y validar las causas que

esta en condiciones de Para la elaboración un resultado previo que era toda la conceptualización de ía de la edificación, con esta información se estudió la estructura buscando fundamentalmente los elementos q

s estructurales. En la figura 12 se muestra un esquema resumen de la forma en que se aplicó la modelación.

n l fi os de los resultados obtenidos a partir de la modelación.

el edificio al terreno, tensión de trabajo de tacione

propician las patologías y el estado técnico de la estructura. Validad las causas se realizar un correcto proyecto de restauración.

del modelo estructural se contaba con la geometr

ue componen las misma y como podría enfrentarse su modelación.

En esta fase de estudio se procede a modelar la estructura en tres dimensiones 3D para refinar los cálculos y los estudios ya realizados en el análisis plano. En este caso se emplea el programa Stadd-III v.22.3 WM, el cual dispone de una biblioteca de elementos suficientemente abarcadora de los posibles casos que puedan presentarse, además de un potente pre y post-procesador gráfico para la creación y procesamiento de la respuesta de modelo

Figura 12 Esquema simplificado de aplicación de la modelación.

E a gura 13 se muestran algun

Figura 13 Resultados de la modelación.

Modelación

Modelación 3D Modelación 2D

Instrumentación y caracterización mecánica de los materiales

Algunaprofunmismasresultó las escaleras principales de la edificación. En la figura 14 se resumen los resultados de la modelación realizadla pilas

propuesto fue posible determinarmas importante, las causas funda con ello poder proponer de form Teniendo presente el elevado númCapitanes Generales se establemuestran en la tabla # 1, donde se agr- Grado de actividad. (activa – no activa) - Importancia. (estructural – no estructural) - Prioridad de baja)

s de las patologías principales de la edificación fueron estudiadas con más didad a partir de la modelación para poder llegar a determinar las causas de las y a partir de ello proponer la intervención correspondiente. Dentro estos casos

sumamente interesante el estudio de la grieta del arco de una de

a, de donde se pudo comprobar que la causa de la patología era la falta de rigidez tra izquierda del arco y sobre esa base se propuso la intervención.

Figura 14 Resultados de la modelación del arco.

- Análisis de los resultados y propuesta de intervención.

A partir de los resultados de obtenidos con la aplicación del procedimiento el estado real de la edificación, y lo que resulta

mentales de cada una de las patologías, paraa consiente las distintas vías de intervención.

ero de grietas existentes el Palacio de los ce la siguiente clasificación, tal y como se

upan siguiendo los siguientes criterios:

intervención (alta prioridad – mediana -

Grietas 1 2 3 Observaciones Ménsulas, pretiles, elementos ornamentales

No activa meten la tura.

No Estructural

Baja No comproestruc

Pasillos 1er nivel No activa, cíclica.

ón es .

Estructural Mediana Su intervencicostosa

Cubierta No cíclica.

rápida . Posibles nes.

activa, Estructural Alta Se precisa unaintervención

filtracioMuros de fallada e interiores

No activas Estructural Mediana -

Pasillos interiores a - No activa, Cíclica.

Estructural Median

Vanos de puertas Activas Estructural Alta Clave de arcos interiores, escalera

Alta Activas Estructural

Clave de arcos de la fallada

Alta

Se precisa reforzar la rigidez de estos

elementos. Activas Estructural

Tabla 1. Clasificación de las grietas

Como epatologíse habíapilastra, rigidez, ha pilastra, sustituyéaumenteque se g ión propuesta

jemplo de solución de intervención se muestra la propuesta para resolver la a analizada con anterioridad de la grieta del arco de la escalera principal. Como detectado que este caso la causa fundamental era la falta del rigidez de la la propuesta de intervención estuvo encaminada precisamente a aumentar dicha para ello se propone la eliminación de los 35 cm de mampuesto que tenia dicy

es de 70 cm de los cuales la mitad es de piedra y la otra mitad de mampuesto, ndolo por piedra e incorporando en la misma barras de fibra de carbón que n aún mas su rigidez y a la vez puedan tomar los posibles esfuerzos de tracciones ener uema simplificado la intervencen. En la figura 15 se muestra un esq.

Figura # 15 Propuesta de Intervención.

Figura 15: Propuesta de intervención.

omo resultado de la aplicación del procedimiento propuesto se realizan todas las comendaciones para el proyecto de intervención, las cuales parten de resolver icialmente las causas detectadas de cada una de las patologías, a partir del análisis

onjunto modelación instrumentación, para luego recomendar el procedimiento para la tervención sobre la patología en cuestión. vestigaciones similares a la anterior se han realizado por el colectivo de trabajo en

iversas obras de alto valor patrimonial, tales el Templete, el Hotel Packard, el Museo del utomóvil, el Castillo de la Punta, casa de la FEU, Castillo la Punta, Escuela de Prado y

l Museo de Arte Colonial.

.2.2 de Puertos.

al y como se planteó anteriormente, el procedimiento propuesto, con sus articularidades, ha sido aplicado a distintos tipos de obras ingenieriles, entre ellas las bras portuarias. A continuación se mostrará, de forma muy resumida, los resultados btenidos en la modelación y determinación de la capacidad de carga del atraque # 8 del

CreincinIndAe 7 -Aplicación del procedimiento para la determinación de la capacidad de carga

de muelles Tpoo

Puerto del Mariel. Los objetivos que se perseguían con la investigación se resumen a ontinuación:

Evaluar la capacidad actual de carga del muelle del Atraque No. 8 del Puerto del Mariel. En dicho atraque se valora la posibilidad de realizar operaciones de carga y descarga de contenedores con la grúa LHM 400 Litronic (900 T). Los cálculos se realizan para una carga de 225 T por pata en un área de 5.5 metros x 1.8 metros.

Se analizan los elementos que conforma el muelle: • Cimentación sobre Pilotes • Viga cabezal • Losa

btenidos a partir de toda la información existente de estudios nteriores, la cual no en todos los casos mostraba resultados similares.

Definida unas características medias la estratificación y de la cimentación sobre pilotes, pasó a estudiar por distintos procedimientos, incluida la modelación, la capacidad

c

Figura 16 :Características de la cimentación sobre pilotes. En la figura 16 se muestra un perfil tipo de la estratificación y las características de la cimentación sobre pilotes, oa

seresistente de cada uno de los tipos de pilotes existentes en la cimentación. De igual forma se realizó la modelación completa de atraque de estudio, incluyendo su superestructura, los pilotes y todos los suelos de la base de la cimentación interactuando con los pilotes, tal y como se muestra en la figura 17.

12

16

14Arcilla

Agua

11m Dragados

12

14

16

Argilita

Arcilla

Agua

11m Dragados

ariel.

obre los pilotes de cimentación. Es bueno destacar que el realizar una modelación completa del atraque

Figura 18: Resultados de Modelo en el puerto del Mariel.

Figura 17: Modelo completo del Atraque # 8 del Puerto del M

Conformado el modelo del atraque de estudio, se le colocó la grúa LHM 400 Litronic (900 T) y se analizó las solicitaciones que la misma, de conjunto con la carga permanente y la posible carga de uso, las solicitaciones en cargas que provocaba slapermitió obtener la distribución de carga en 3D, la cual dio resultados inferiores, con respecto a un análisis tradicional en 2D, en el orden del 30% de la carga máxima sobre los pilotes. En la figura # 18 se muestra uno de los resultados de la modelación del atraque. Figura # 18 Resultados de la modelación de atraque # 8 del Puerto del Mariel.

Los resultados de la modelación del muelle y de los pilotes permitieron determinar que ra posible la explotación de la grúa LHM 400 Litronic, afirmación que no fe posible acer a partir del análisis tradicional en 2D. Tomando en cuenta la importancia de la obra la magnitud de las cargas de trabajo que tendría el atraque se determinó la realización e una prueba de carga in situ que simulara las cargas de una de las patas de la grúa, para on ello poder verificar el comportamiento del muelle determinado por la modelación. n la figura # 19 se muestran las características de la prueba d carga realizada, así como s resultados obtenidos de la misma y su comparación con los resultados de la odelación.

Figura 19: Resultados de la prueba de carga.

omo se aprecia en la figura 19 existe una correspondencia muy buena entre los sultados obtenidos de la prueba de carga y los pronosticados por la modelación, con lo

ual se pudo concluir que el atraque # 8 del Puerto del Mariel, después de haber realizado n estudio similar de su superestructura, podía soportar las solicitaciones provocadas por grúa LHM 400 Litronic.

studios similares al expuesto para el caso del atraque # 8 del Puerto del Mariel se han alizado para otros atraques del propio Puerto del Mariel y del Puerto de Pastelillo, así

nos

.2.3 - Aplica s.

ehydcElom

Crecula Erecomo en el ano 2006 en el Puerto del Mariel para la descarga de grupos de Electrógeara la termoeléctrica del Mariel con resultados satisfactorios. p

7 ción del procedimiento para la evaluación de pistas aérea De igual forma, el procedimiento propuesto, con sus particularidades, ha sido aplicado a distintos tipos de obras ingenieriles, entre ellas las pistas aéreas. A continuación se mostrará, de forma muy resumida, los resultados obtenidos en la modelación y evaluación de la pista del aeropuerto de Cienfuegos. Los objetivos que se perseguían con la investigación se resumen a continuación:

Estimar la capacidad portante de las pistas de los aeropuertos auxiliándose del método ACN-PCN, buscando una interpretación física de los principales parámetros que lo caracterizan, apoyándonse en las herramientas computacionales para la modelación plicada a problemas de ingeniería y su calibración a partir de las pruebas de cargas.

étodo ACN-PCN establecido por la Organización tando sus características a las particularidades

interpretación geotécnica, un procedimiento expetener que utilizar los sofisticados y costosos equipam del primer mundo. Se tomó como caso de estudio el aeropue González”. Para el cumplimiento de la tarea p de trabajos, tales como la investigación ingeniero-concluyó con el consiguiente informque incluyó los ensayos con la viga Benkelm que concluyó con un GIS en planta de la

isma donde se representa todas las patologías encontradas, su descripción, fotos y igón asfáltico de la pista, que sumió en un informe con las

aso del aeropuerto analizado, además se profundizó en su

in situ.

aso obtenido

a Inicialmente fue necesario estudiar el mInternacional de la Aeronáutica Civil, adapde las pistas de nuestros aeropuertos, y estableciendo, a partir de su correcta

rimental factible de realizar en Cuba, sin ientos utilizados por los países

rto internacional de Cienfuegos “Jaimelanteada se realizaron un conjuntos

geológica de toda la zona de la pista, que e ingeniero-geológico, la defectología de la pista,

an, mposibles causas, el análisis del estado técnico del hormincluyó un conjunto de ensayos del material y se rerecomendaciones correspondientes y por último toda la investigación de la modelación y evaluación de la pista. La investigación de modelación y evaluación de la pista aérea se realizó por primera vez en el país con la aplicación del método ACN-PCN, el cual fue necesario modificar para poder ser aplicado en el cinterpretación geotécnica, realizando una correlación entre los parámetros que el mismo utiliza y los procedimientos clásicos de análisis de la capacidad de carga y deformación de los suelos, obteniendo resultados muy satisfactorios, y se combinó todo esto con una modelación matemática, con el empleo de software profesionales para la utilización de los métodos numéricos y la realización de las pruebas de cargas En la figura 20 se muestran uno de los resultados de la modelación, en este ca partir de un análisis en 3D del efecto del avión sobre la pista donde se corrobora que las patas del avión pueden ser analizadas de forma independiente al no ejercer influencia una sobre la otra en los estados tensionales y deformacionales de la pista.

ç Figura 20: Resultados de la modelación del efecto del avión sobre la pista.

Los resultados anteriores de la modelación fueron corroborado por la prueba de carga in

eba de carga.

uación obtenida a partir del método ACN-PCN s resultados obtenidos con las pruebas de análisis geotécnicos de los suelos de la

r el PCN con parámetro indicativo de la ndose el perfil de PCN de la pista, así como la variación

de una posible intervención en la pista de forma de llevar toda su extensión, tal y como se muestra en

situ, la cual se diseño a partir de una prueba de placa, que simulara el efecto de una de la patas del avión, tal y como se muestra en la figura 21.

Figura 21 Resultados de la pru

Como se aprecia en la figura # 21 la evalse correspondió de forma satisfactoria con locargas, con la modelación matemática y loscimentación, por lo que fue posible tomaevaluación de la pista, conformáque tendría el mismo a partir los espesores de asfalto en la pista a 15 cm en al figura 22.

igura # 22 Perfil PCN actual Perfil PCN modificado

e la generalización y aplicación de estas metodologías y la experiencia

resultados en varias obras que por sus disímde obras. Se puede mencionar los trabajosElectroquímica de Sagua, la escuela de SAN Aldel hotel Brisas del Caribe, y la cime En la Piscina del Hotel Brisas del Ca se procedió a modelar la piscvaso de la piscina presentara asentamivista de ingeniería y que a su vez no exis resultados de esta modelación arrojaron que zonas de concentración de tensiones (sup

structura estudiada. Los resultados en tensiones y deformaciones de este modelo se

ientos diferenciales, unido a la socavación del terreno provocada por escape de gua de las tuberías de alimentación y recirculación de la piscina (fallas en el sistema de

mentales de la presencia de algunas de la patologías xistentes. Estas causas se une a otra que esta relacionada con la presencia de cambio de gidez (bloque-hormigón en las paredes) y efecto de discontinuidad existente en la

F Estudios similares se realizan en estos momentos en el aeropuerto internacional de Santa Clara. 7.2.4 - Otros Tipos de Obras. Como parte dacumulada en la modelación de diferentes obras estructurales también se cuenta con

iles características se agruparon en otros tipos realizados en el Cine de Bauta, la ejandro, el hotel Palacio Azul, la piscina

ntación del hotel Pansea.

ribe, siguiendo el orden del proceso de modelación,ina considerando el suelo indeformable o al menos que el

entos absolutos despreciables desde el punto de tieran asentamientos diferenciales. Los

para estas consideraciones no se evidencian eriores a las tensiones de fallo del material), ni

istentes en la asentamientos (absolutos y diferenciales) que propicien las patologías exereflejan en las figuras de este epígrafe. Este resultado afianza la teoría de que los asentamatuberías), son las causas fundaeripiscina por deficiencias del proceso constructivo de la misma. Esta última causa propicia la formación de grietas y fisuras perimetrales en el vaso de la piscina delimitando la zona de cambio de rigidez y evidenciando la discontinuidad geométrica y cambio de material.

Figura 23. Patologías en la Piscina

Figura 24. Modelacion de Piscina

Figura 24: Modelación de la piscina. •

manera de resume se exponen alguno de los diferentes proyectos ejecutados que avalan aplicación de la instrumentación y modelación en obras estructurales y su combinación

on técnicas de GIF.

uertos • Atraque No 8 Puerto del Mariel. Uso Grua Litronic • Atraque No 7 Puerto del Mariel. Tanques REPSOL • Atraque No 7 Puerto del Mariel. Grúa REPSOL • Atraque No 8 Puerto del Mariel. Descarga Grupo Electrógenos • Atraque No 8 Puerto del Mariel. Capacidad de Carga total • Atraque No 8 Puerto Mariel. Almacenaje Grupos Electrógenos • Puerto Pastelillo. Capacidad de Carga y rediseño

eropuertos • Calculo de ACN/PC

Obras patrimoniales

• Palacio Capitanes Generales • Casa de la FEU

Conclusiones.

N Aeropuerto de Cienfuegos

Alac P

A

• Castillo la Punta

• Cúpula Artes Plásticas ISA

tomóvil plete

Otr O

ná i

s de los resultados obtenidos en la instrum estructurasy le terreno, valorando la influencia de cada una de las resultados introducidos y cuantificando los ahorros económicos obt d Des o y social con la aplicación del resultado se logra reutilizar las instalaciones existentes y el apoyo a los programas de la Revolución de la Batalla de Ideas y la Revolución Energética, que se realizan hoy en el país, reactivando el fun n e lato valor patrimonial, puertos y otra, permitiendo a la e n aís un considerable ahorro de recursos. Por otra parte la reconstrucción de estas instalaciones o construcción de nuevas, requiere de grandes inversiones, no solo n t n e la construcción, sino por los altos volúmenes de

ilizar.

A partir de los resultados obtenidos con el empleo combinado de las técnicas de instrum n los cuales se han podido estudiar con mayor exactitud obr d nieril y se han podido obtener resultados que avalen las mo ic eramos que estamos en la posibilidad de enu ia dada por el colega Meli Piralla sobre lo ue do concluir que:

ARTE DE USAR MATERIALES QUE

• Columnatas ISA

• Escuela de Prado • Hotel Parckard • Museo del Au• Tem• Yacht Club de Cienfuegos

as bras • Cine Bauta • Electroquímica de Sagua • Escuela san Alejandro • Hotel Palacio Azul • Piscina Hotel Brisas del caribe • Cimentación Hotel Pansea

A

lis s técnico-económicos del resultado.

Se muestran las principales aplicacioneentación y modelacion de las

eni os.

de el punto de vista económic

cio amiento de este estructuras dco omía del p

e ec ología por la complejidad dmateriales a ut

entación y modelación,inge

coas e alta complejidad dif aciones a las normas existentes, considnc r una definición menos pesimista que la

q

es el diseño estructural, pudien

“EL DISEÑO ESTRUCTURAL ES EL CADA DÍA CONOCEMOS MEJOR, PARA FORMAR ESTRUCTURAS ESTUDIADAS A PARTIR DE MODELOS QUE CADA VEZ SE ASEMEJAN MÁS A ELLAS, DE MANERA QUE RESISTAN CARGAS QUE ESTIMAMOS CON MAYOR EXACTITUD, TODO ESTO EN MODO TAL QUE EL PUBLICO

SE DE CUENTA QUE NOS ACERCAMOS MÁS A LA RESPUESTA REAL DEL PROBLEMA ESTUDIADO.”

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