Lunes, 15 Noviembre 2021 00:00

USO DEL HORMIGON DE ALTO PERFORMANCE EN LA CONSTRUCCION DE EDIFICIOS

La investigación.

De un tiempo a esta parte, los grandes incrementos en la densidad poblacional además de los grandes requerimientos comerciales en la ciudad de Cochabamba, han hecho necesaria la construcción de grandes edificaciones para permitir que las mismas que sirvan como descargo a las zonas comerciales de la ciudad, y tomando en cuenta que hace años nuestro país ha recibido un incremento considerable del costo del acero de construcción el subió hasta un 250% aproximadamente en tiempos cortos lo cual me ha motivado a encontrar alternativas técnicas que nos permitan como ingenieros ofrecer unas alternativas técnicas para la construcción de edificios medios y altos aplicados a nuestro medio.

Ante dicho antecedente he realizado en primera instancia la investigación correspondiente a la aplicación de Hormigones de Alto Performance bajo la conceptualización de que los mismos poseen características mecánicas que suelen llegar a adquirir resistencias a compresión superiores a los 400 kg/cm2 cuando se necesitan altas resistencias finales, los mismos pueden tener tamaños máximos de áridos de 40 mm o 20 mm y su aplicación den solicitar con niveles de confianza de 80%, 85%, 90% o 95%.

La premisa del uso de los HAP tuvo la hipótesis de obtener menores secciones de los elementos estructurales a compresión (columnas) ante la mayoración de sus resistencias mecánicas sin afectar la ductilidad general del edificio, esta disminución de secciones en cada uno de los casos deberá ocasionar un gran incremento en la rigidez de la estructura, pero de igual manera representará una disminución en el peso y el costo de la edificación, tomando en cuenta que entre mayor sea la resistencia de las columnas menor será su sección además de la cantidad de acero.

Esta investigación se ha realizado analizando en el edificio más alto del país el cual esta ubicado en la ciudad de La Paz y es denominado Edificio Girasoles el cual dispone en su construcción 38 niveles más terraza, la edificación cuenta con más de 30.000 metros cuadrados, con una Altura de 109 metros.

C:\Users\HP\Desktop\Torre-Girasoles-1.jpg

Dentro de la investigación se ha utilizado un software el cual ha sido validado y presentado de acuerdo a los requerimientos de titulación del departamento de Posgrado de la Escuela Militar de Ingeniería; dentro de lo propuesto de ha realizado la modelación de dicha estructura de acuerdo a definiciones de carga detalladas para este tipo de edificaciones según el ASCE/SEI 7-05 Minimum Design Loads for Buildings and Other Structures, la normativa de diseño ha sido regida por la norma ACI 318-05 con la que se han considerado las combinaciones de carga definidas según su norma además la aplicación de la norma boliviana de cargas 1225002, norma boliviana de vientos 1225003 además de las recomendaciones de la Norma Boliviana Sismo resistente 2006 y los boletines del observatorio de San Calixto de la Ciudad de La Paz.

 

Durante la investigación, se había definido que el elemento principal de estudio de optimización son las columnas con sus diferentes características de resistencia mecánica del hormigón, es en ese aspecto realizando el análisis de dichos elementos y previa introducción de datos al simulador estructural evaluamos los factores principales de variación con el incremento de resistencias mecánicas, los factores variables de consideración evidentes en el manejo hormigones de alto performance que vienen relacionados a su tensión deformación es por esa razón que determinamos el módulo de elasticidad y su correspondiente coeficiente de poisson son los elementos que determinaremos para cada modelación según las resistencias mecánicas propuestas con hormigones de tipología H21, H25, H30, H40, H50 Y H60. 

 

Del analisis se ha constatado que los factores de esabilidad, rigidez y resisencia han sido verificados en cada reduccion del modelo de optimizacion estructural estando siempre dentro de un marco de confiabilidad del 75 al 85% de acuerdo a los diagramas de interaccion de los elementos criticos de todas las combinaciones de carga analizadas.

         

 

De los parametros comparativos de estudio se han tabulado los resultados entre las diferentes resistencias mecanicas del hormigon en los elementos de optimizacion, y los mismos han sobre pasado lo estimado en cuanto niveles de optimizacion de las secciones de los elementos analizados los cuales han definido estructuras mas ligeras e igual de resistentes sin embargo tambien mas economicas tal cual se ha definido en los resultados del siguiente diagrama.

 

Su obtención como desarrollo practico.

Dentro del ámbito practico, para la obtención de HAP en nuestro medio se han podido validar diferentes investigaciones que son consideradas como guías para la obtención de hormigones hasta 60 Mpa con agregados propios de canteras locales los cuales han sido registrados mediante cantidad de ensayos de roturas de cilindros los cuales en su mayoría han sido parte de la investigación en campo cada uno de ellos usando aditivos de diferentes características los cuales han permitido la obtención de Hormigones de Alto Performance con el cual se deja claro la posibilidad real de contar  con resistencias altas para su aplicación real en nuestro medio.

La aplicación real de HAP en la construcción edificios.

La construcción de los edificios de la Villa Olímpica Sudamericana se ha convertido en la oportunidad adecuada para la aplicación de Hormigones de Alto performance en la construcción de edificios, ya que la aplicación de dichos parámetros de investigación teórica han sido manejados para que puedan ser aplicados de acuerdo a las hipótesis ya definida en etapas previa, sin embargo al no poder aplicarlos dentro del modelo de optimización de disminución de secciones de columnas se ha procedido a la mayoración de resistencias en los elementos de análisis para disminuir los tiempos de ejecución de cada uno de los niveles de construcción.

El factor controlado de la obtención de este tipo de hormigones ha estado de la mano de la tecnología en cuestión de equipos y maquinaria además de aditivos de la línea Euco Quimisa los cuales han respondido a las exigencias de las solicitaciones de la obtención de hormigones de calidad desde el inicio de proyecto.

Los objetivos de inicio de proyecto han sido definidos en la disminución de los tiempos de ejecución y se ha realizado la regulación de las dosificaciones para el hormigonado de columnas, las cuales de acuerdo a los registros de seguimiento y monitoreo estructural cumplían con los requerimientos de resistencia promedio de 40 Mpa. 

Dicha ejecución de proyecto con la empresa Estrutec en su etapa de obras civiles ha originado que la aplicación práctica de esta investigación ocasione la ejecución de vaciados de losas cada 5 días en promedio, otorgándonos un alto grado de confiabilidad en sus resultados de seguimiento y que el uso de los aditivos nos han podido manifestar resistencias a 3 días vaciados dichos elementos entre 150 y 170 kg/cm2 de acuerdo a pruebas de ensayos de esclerometría realizados por lo que se generó la confianza suficiente para poder continuar con una planificación en función a dar cumplimiento a una aplicación de Hormigones de Alto Performance en la Construcción de estos edificios en la Villa Sudamericana. 

Con la aplicación práctica de esta investigación se puede determinar que se ha dado un paso enorme sobre el uso de Hormigones de Alto Performance en la construcción, a continuación, se muestra un resumen de su construcción además de las características de dicha edificación.

 

INFORMACION SOBRE CONSTRUCCION DE EDIFICIOS VILLA OLIMPICA 

DESCRIPCION

descripcion

unid

TIEMPO DE CONSTRUCCION POR PISO

5

DIAS

AREA SUPERFICIE 

425

M2

HORMIGON POR PISO PROMEDIO x edificio

85.13

M3

TIEMPO DE DESENCOFRADO VIGAS x promedio

12

DIAS

TIEMPO DE DESENCOFRADO COLUMNAS

24

hrs

CANTIDAD DE PISOS

13

Niveles

FECHA DE INICIO HORMIGONES

29/12/2016

Losa radier

FECHA DE INICIO HORMIGONES

14/01/2017

PRIMERA LOSA

FECHA DE CONCLUSION DE ULTIMA LOSA

07/04/2017

RESISTENCIA PROMEDIA A LOS 5 DIAS

240.67

Kg/cm2

TIEMPO DE CONSTRUCCION DE LOSAS

14/01/2017

83 dias CONSTRUCCION DE OBRA GRUESA DESDE SEMISOTANO

TIEMPO DE CONSTRUCCION DE LOSAS

07/04/2017

TIEMPO DE CONSTRUCCION DE HORMIGON

29/12/2016

97 dias CONSTRUCCION DESDE LOSA RADIER DEL EDIFICIO 

TIEMPO DE CONSTRUCCION DE HORMIGON

07/04/2017

RESPONSABLES TECNICOS 

ING. DENNIS TORRICO

SUPERINTENDENTE DE OBRA

 

Conclusiones.

Se concluye con la generación particular de la relación existente entre el peso (costo) de una estructura y su variación con el número de pisos, y se ha podido generar la curva de sensibilidad y optimización de los hormigones de Alto Performance en edificios de gran altura además de observar que la optimización es  considerable en cuanto se refiere a la optimización de secciones de las columnas de hormigón convirtiéndola en una estructura más ligera y por ende más económica; además que dentro del análisis de los hormigones de alto performance y sus correspondientes variaciones de resistencias mecánicas se verifico que la ductilidad del edificio no ha sido afectada por la variación de las resistencias mecánicas de columnas, pero si bien se disponen secciones más optimas se ha observado que los desplazamientos horizontales en los coronamientos de los análisis de cada modelo es ligeramente mayor, esto debido a que las secciones a resistencias mayores son más esbeltas.

Dentro de su proceso de verificación real y su aplicación en la construcción de los edificios de la Villa Olímpica Sudamericana, el haber trabajado con HAP en las columnas ha ocasionado el haber realizado una construcción más rápida en su ejecución, esto debido a las altas resistencias mecánicas del Hormigón a edades tempranas y la seguridad de contar con factores controlados de seguridad y confiabilidad en la construcción.

Se espera que la aplicación de este tipo de procedimientos pueda ser mejorados e innovados en la construcción de edificios en nuestro medio, y volvernos no solamente pioneros del uso y aplicación de Hormigones de Alto Performance en edificios sino la punta de lanza para la mejorar los índices de construcción es edificios altos en nuestro país.

 

 

MSc. MBA. Ing. Dennis Torrico Arauco

Magister en Ingeniería Estructural

Master en Dirección de Proyectos  

 

Domingo, 05 Septiembre 2021 00:00

EL ALINEAMIENTO DE MÁQUINAS ES GANANCIA DE DINERO Y TIEMPO

RESUMEN

Esta idea surge al ver las necesidades en las industrias, para formar a nuevos profesionales con conocimientos tanto teóricos y prácticos, que encaren los desafíos que se presentan y no se tengan que esperar a profesionales del exterior y con una remuneración elevada. Viendo todas estas necesidades se plantea una nueva materia, “Montaje y Alineamiento de las Máquinas”, pudiéndose implementar esta materia en las carreras de ingeniería y técnico superior, así  también capacitar al personal técnico y dar a conocer a los empresarios sobre las ventajas y desventajas del alineado en las máquinas,  conociendo esto vean que su empresa puede funcionar con menos detenimientos, generando un ahorro en el consumo de energía eléctrica, aumentando la vida útil de los componentes de las máquinas, generando más confianza en los clientes. La encuesta  hecha acerca del tema respalda en gran porcentaje 90,9%, muestran la necesidad de implementarse de acuerdo a los avances tecnológicos.

Palabra clave: Practica el Alineamiento de máquinas y tendrás más tiempo, menos gastos, más  producción.

INTRODUCCIÓN

El propósito del tema propuesto es hacer notar a empresarios industriales, a encargados de montaje y mantenimiento, a directores de las facultades técnicas,  la necesidad de abordar  “Montaje y Alineamiento de Máquinas Industriales”, para contribuir a solucionar los problemas en las industrias  para el correcto funcionamiento de las máquinas y que el incorrecto funcionamiento no afecten en la economía de las empresas por los constates paros y gastos que ocasiona tanto en repuestos y personal.

Las carreras tecnológicas son aptas para capacitar a los nuevos profesionales, a mejorar el rendimiento de las máquinas, aminorar el consumo de energía eléctrica, evitar dependencia de técnicos extranjeros que tienen cotizaciones altas, mejorar los ingresos a favor de las industrias.

Se tienen estudios y equipos de alineamiento generalmente en las empresas fabricantes y en países con alta tecnología, en el país es de escaso conocimiento de la cabalidad del alineamiento, se cuentan con manuales en la que no son incluidos la parte de alineamiento con detalle más, a pesar de la existencia de estos guías no son tomados o interpretados a cabalidad el alineado. 

Figura 1. Método: A regla, B reloj comparador y C rayos laser

C:\Users\ALBERTO_M\Desktop\mont y alinea\MONTAJ.ALINE D MAQUI Y FOTOS\MAQUINAS A ALINEAR FOTOS\Campana-banner-Alignment Methods 2.jpg

MÉTODO 

Análisis de los factores que afectan la vida útil en  las máquinas, personal, empresarios y universidad, se muestra en la tabla siguiente: 

MÁQUINAS

PERSONAL TÉCNICO

1. Excesivos ruidos. 2. Mantenimiento constante. 3. Paradas repentinas. 4. Excesivo consumo de energía eléctrica. 5. Calentamiento

1. No capacitado. 2. Escasa diligencia. 3. La mayoría empíricos

EMPRESARIOS

UNIVERSIDADES e INSTITUTOS

1. Escasa motivación por mejorar la vida útil. 2. Desconocimiento sobre alineación. 3. Pérdida económica. 4. Mayores gastos.5. Incumplimiento en las entrega

1. Falto de materias útiles para empresas. 2. Alumnos muy teóricos. 3. Falto de docentes con experiencias prácticas. 4. Carreras de las universidades  no van a la par con el avance tecnológico.

 

Identificar y analizar todo lo concerniente y formar profesionales, capacitar técnicos en alineamiento de máquinas y dar a conocer a los empresarios la importancia del alineamiento de máquinas  para que puedan ver las ventajas y desventajas que tiene y sacar el provecho ofreciendo mejor servicio a la clientela de un determinado producto a la vez evitando mayores gastos en mantenimiento de las máquinas y mayores montos de pago por consumo de energía eléctrica.

RESULTADOS

El porcentaje elevado de los resultados 90,9%, indican que el tema es aceptado de acuerdo a las encuestas realizadas, cabe aclarar que las personas encuestadas son del área conocedores de la industria, esto indica que se debe implementar el tema a la malla curricular y abrir centros de capacitación para personas que ya se desempañan en el área de mantenimiento en las industrias.

 

CONCLUSIONES

En función a los resultados de la encuesta y a la experiencia adquirida en la fábrica, en base a los comentarios realizados por los compañeros de trabajo, en base a la resistencia ofrecida por algunos trabajadores por realizar cambios en su modo de actuar para solucionar un problema de una máquina, etc., se ve que es una necesidad, para mejorar el rendimiento de las máquinas en las industrias y dar oportunidad a los nuevos profesionales de contar con una especialidad para el desempeño.

 

Autor: Ing. Javier Vedia Pacheco

 

 

Lunes, 30 Agosto 2021 00:00

SINERGIA ELECTROQUIMICA DE MATERIALES CATÓDICOS NMC622 Y LMO-Mg PARA BATERIAS DE ION LITIO

El principal objetivo de este trabajo de investigación es generar conocimiento aplicado al desarrollo de materiales activos que podrían ser utilizados como cátodos o electrodos positivos en baterías de ion litio. 

Las baterías de ion litio son la alternativa más atractiva y realista para el desarrollo de sistemas de almacenamiento de energía eléctrica a gran escala que permiten la implantación general de las fuentes de energía renovable, así como la consolidación del vehículo eléctrico. No obstante, es necesario la identificación de nuevos materiales para los electrodos (materiales activos) que mejoren las prestaciones de estas baterías sin aumentar el coste y respetando los principios de sostenibilidad. Por tanto, entre los objetivos de este trabajo de investigación es contrastar y desarrollar cátodos mixtos eficientes para baterías de ion litio que permitan incrementar la energía y la potencia, así como la vida útil de estos dispositivos, minimizando el impacto medioambiental asociado a su fabricación, utilización y posterior reciclado.

Se realizaron evaluaciones electroquímicas sobre el comportamiento del material catódico simple y compuesto en una celda de ion litio. Por otra parte, en la investigación se analizaron las propiedades físicas, tales como la importancia del tamaño de partícula del material activo, análisis granulométrico del cátodo y el efecto con ultrasonido de la suspensión catódica para determinar el desempeño electroquímico de las baterías de ion litio. Los cátodos de NMC622: LMO-Mg fueron desarrollados a partir de una mezcla del material activo (NMC622: LMO-Mg), aditivo conductor (TIMCAL C45) y solución aglutinante (PVdF+ NMP) en una proporción de 9:0.5:0.5. 

La caracterización electroquímica de las coberturas catódicas de composición simple y compuesta de los materiales catódicos NMC622 y LMO-Mg ha sido realizada mediante ciclos de carga y descarga y medición de espectroscopia electroquímica de impedancia (EIS).

Finalmente se diseñó un prototipo de celda y módulo de ion litio con la celda de mejor rendimiento electroquímico mediante el software denominado BatPac v2.2.

La mezcla física de materiales de los electrodos positivos ofrece muchas posibilidades a los investigadores y fabricantes de baterías de ion litio, ya que las deficiencias de un material se pueden compensar y mejorar con las ventajas de otro. Lo más interesante es que a menudo la mezcla funciona mejor de lo esperado debido a una interacción sinérgica entre los materiales. Se requiere una comprensión completa de estos efectos sinérgicos, para impulsar la tecnología de las baterías de ion litio hasta donde sea posible.

Palabras claves: sinergia, baterías, electroquímica, sostenible, ion litio, cátodo.

Autor: Ing. Daniela Roselyn Rodríguez Guzmán

RNI: 41569 

Lunes, 09 Agosto 2021 00:00

Resultados preliminares sobre diseño comparativo de hormigón prefabricado y hormigón vaciado in situ

RESUMEN 

El presente artículo muestra los resultados preliminares del proyecto de trabajo final del  Máster en Ingeniería del hormigón “Universidad Politécnica de Valencia”, sobre la  aplicación de hormigón prefabricado en Bolivia. Se realizó un diseño comparativo con una  unidad educativa ya construida en el País con el método de vaciado in situ para  posteriormente evaluar los resultados mediante impacto económico, ambiental y social.  Hasta la fecha se obtuvo los volúmenes de obra determinando una excedencia de 4.01%  de cemento y 4.35% de acero en el hormigón prefabricado, en ambos casos menor al 5%  de significancia denotando el bajo impacto ambiental y económico que representaría un  método constructivo más rápido y seguro. 

ABSTRACT 

This article shows the preliminary results of the final project of the Master in Concrete  Engineering “Polytechnic University of Valencia”, on the application of precast concrete in  Bolivia. A comparative design was carried out with an educational bulding already built in  the country with the classical on site construction to later evaluate the results through  economic, environmental and social impact. To date, the work volumes have been  obtained determining an excess of 4.01% of cement and 4.35% of steel in the precast  concrete, in both cases less than 5% of significance, denoting the low environmental and  economic impact that a faster and safer construction method would represent. 

Palabras clave: Prefabricado, comparativo, económico, ambiental. 

Año: 2021 Bolivia

I. Introducción

El sistema prefabricado de hormigón es un  método de diseño y construcción muy utilizado  en países industrializados, permite una  ejecución rápida, controlada y con bajo  porcentaje de residuos o pérdidas de material.  En Bolivia la mayoría de las construcciones de  hormigón son mediante el método tradicional  vaciado in situ, por lo cual si bien hablar de  industrialización es prematuro, la realización  de diseños comparativos nos permite apreciar las bondades y dificultades de estructuras de 

hormigón prefabricado en el país. Este tipo de  proyectos formarían parte de los primeros  peldaños en nuestro largo camino a la  industrialización.  

II. Metodología

A. Modelación estructural

La comparación fue realizada para la Unidad  Educativa tipo “San Gabriel” construida en el  departamento de Cochabamba. El diseño  consistió en modelar la estructura con la ayuda  de Cypecad respetando las cargas de diseño  originales y los volúmenes de hormigón  construidos. Se utilizaron losa nervada en 1 y  2 direcciones, columnas con secciones de  35x35, 40x40 y 25x40cm, vigas de 20x60,  25x60 y 30x25cm. 

Posteriormente se realizó una segunda  modelación para un sistema prefabricado con  nudo rígido y la utilización de losa hueva  pretensada LH 22/60 con un empotramiento  máximo de 25%. Columnas con secciones de  30x30, 35x35 y 40x40cm, vigas rectangulares de 20x40cm, “L” invertidas de 30x30 +  15x30cm, “T” invertidas de 35x35cm +  15x30cm. Asegurando un apoyo de 10cm para  la losa hueca recomendado por la F.I.B. [1]. En  ambos casos se tomó en cuenta la acción del  viento y se despreció acción sísmica. 

B. Análisis bajo factores de sostenibilidad

Uno de los objetivos del proyecto es  comparar ambas modelaciones bajo factores  económico, ambiental y social. Hasta la fecha  de elaboración del artículo se obtuvo los  volúmenes de obra para la comparativa,  dejando el cronograma de ejecución y  emisiones de CO2 totales para la finalización  del proyecto.  

 III. Resultados y discusión. 

En la tabla No1 se resume los volúmenes  obtenidos hasta la fecha de las modelaciones. 

Ho. In situ 

Ho. Prefabric.

Tipo 

Ho. 

(m3)

Ac.  

(kg)

Ho. 

(m3)

Ac.  

(kg)

Viga 

212,4 

13736 

177,9 

16523

Colum. 

65,7 

6577 

60,7 

6948

Escal. 

19,7 

1269 

19,7 

1367

Total 

297,8 

21582 

258,3 

24838

Tabla No 1: Valores obtenidos 

En base al artículo “Desperdicios vs control de  los materiales” [2] y tomando en cuenta la  disminución de desperdicio que representa el  hormigón prefabricado se obtuvieron los  valores finales (ver tabla No2). 

Desperdicio  Hormigón

Desperdicio  

Acero

Tipo 

15%* 

5%** 

18%* 

7%**

Ho (m3) 

342,4 

271.2 

-

bolsas 

2397 

2441

Ac. (kg) 

25467 

26577

*Hormigón in situ, ** Hormigón prefabricado Tabla No 2: Valores incluyendo desperdicio 

Para expresar el volumen de hormigón a bolsas de cemento se tomó en cuenta que el  modelo vaciado in situ tiene una resistencia  característica de 21MPa y el modelo de  hormigón prefabricado tiene 30MPa  representado 2 bolsas de cemento más en la  dosificación. La diferencia entre ambas  modelaciones resulta de 44 Bolsas.  Si tomamos en cuenta 6m3 de volumen que  representa las ménsulas de apoyo constructivo  en hormigón prefabricado se tiene 98 bolsas. En porcentaje, 98 bolsas de cemento  representan 4.01% de excedencia y 1110 kg  de acero (siendo la diferencia de acero entre  vaciado in situ y prefabricado) representa  4.35% de excedencia. Ambos casos menores  al 5%. Si hablamos en dinero, 98 bolsas y  1110 kg representan alrededor de 10.000bs. 

 IV. Conclusiones

  • Desde el punto de vista ambiental el  hormigón prefabricado representaría más  materiales y por lo tanto mayor emisión de  CO2 pero también lo suficientemente bajo para  no ser considerado abrasivo con el  medioambiente, más aun si tomamos en  cuenta que en un ambiente industrial  controlado los desperdicios son menores. 
  • Económicamente la excedencia es  aparentemente mayor, pero si tomamos en  cuenta la disminución en los tiempos de  ejecución y personal en obra que representa la  prefabricación, la excedencia se invierte  transformándose en ahorro económico. 
  • Socialmente la prefabricación representa  un ambiente seguro y controlado para el  bienestar de los obreros y disminuye las  molestias a los vecinos al disminuir el tiempo  de ejecución. 

REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS [1]. FIB Bulletin 74 (2014), Planning and design  handbook on precast building structures,  International Federation for Structural  Concrete, Switzerland. 

[2]. Lucio Soilbelman. (2010).” Desperdicios vs  el control de los materiales”. Instituto Mexicano  del cemento y del concreto, México.

AUTOR: Ing. Cristian Mario Estrada Plata

RNI: 31001

Viernes, 23 Julio 2021 00:00

USO DE COAGULANTES EXTRAÍDOS DE LA NARANJA Y EL LIMÓN EN EL TRATAMIENTO DE AGUA POTABLE

RESUMEN 

La presente investigación tiene como principal objetivo evaluar la  efectividad de los coagulantes naturales a base de pectina líquida extraída de  cáscaras de naranja y limón para el tratamiento de agua potable. Estos  coagulantes al ser considerados como polímeros naturales aniónicos son  capaces de captar además de partículas coloidales a metales pesados como ser  plomo, cinc, cadmio, cobre, etc. 

En este trabajo se analiza la remoción de turbiedad en agua proveniente  de una fuente natural con alta turbiedad, mediante el proceso de coagulación floculación-decantación usando pectina de naranja, de limón y de una  combinación de ambos y además sulfato de aluminio para su posterior  comparación, considerando su caracterización. En base a la fundamentación  teórica, se plantea un diseño experimental de siete factores variando la dosis de  coagulante, concentración de coagulante, pH, velocidad de floculación, tiempo  de floculación, velocidad de decantación y tiempo de sedimentación, este  análisis se realiza mediante el ensayo de Prueba de jarras, para determinar los  valores óptimos de dichos factores. 

La pectina obtenida del limón si bien muestra ser el coagulante natural  más efectivo entre los analizados, obteniendo una eficiencia del 94% de  remoción de turbiedad, éste se encuentra por debajo del porcentaje de remoción  del coagulante sintético sulfato de aluminio, cuya efectividad es del 99%.  Tomando en cuenta que este proceso está acompañado de tratamientos  posteriores, los resultados obtenidos llegan a ser óptimos para que el agua bruta  seleccionada logre cumplir con los criterios establecidos de agua potable, una  vez que se realice la sucesión adecuada de tratamiento. 

En cuanto a los costos de producción de los coagulantes naturales, en  comparación con el costo de adquisición del sulfato de aluminio, se infiere que,  para la obtención de pectina, si las materias primas se adquieren de reciclaje, el  gasto llega a ser casi nulo, caso contrario, tomando en cuenta los procesos de 

obtención, se tiene un valor parecido al precio de adquisición del coagulante  sintético sulfato de aluminio. 

Palabras claves: Agua potable, turbiedad, coagulante, pectina de limón, pectina  de naranja.

AUTOR: ANDREA NICOLE RODRIGUEZ OPORTO

RNI: 46463

Viernes, 23 Julio 2021 00:00

PRODUCTO DEL MAL ESTADO DE NUESTROS PAVIMENTOS SE EMITE UN 9.44% ADICIONAL DE CO2 EN LA ATMÓSFERA

¿Sabías que, tan solo para mitigar ese 9.44% adicional de CO2 necesitaríamos más de 75000 árboles? ¿Y sabías que, nuestro municipio tan solo cuenta con 34000 árboles? 

Un vehículo liviano de combustión interna emite en promedio alrededor de 143 gramos de dióxido de carbono CO2 por  Kilómetro de recorrido según estudios de la AEMA (Agencia Europea De Medio Ambiente), estos valores son en  condiciones ideales es decir en caminos que tengan una calidad aceptable. Pero si tú te desplazas por caminos de mala  calidad, la cantidad de emisiones de CO2 será más alta comparado con los 143 gramos que emitías en un principio.  ¿Pero cuánto es esta cantidad adicional de CO2 que tú emites por circular en caminos de mala calidad? Es justamente el  objetivo de esta investigación.  

La calidad de los pavimentos está directamente relacionada con el consumo de combustible y por lo tanto con las  emisiones de dióxido de carbono. Si tu manejas a velocidad constante en superficies irregulares, el sistema de suspensión  del vehículo produce un mayor movimiento debido a estas irregularidades, en otras palabras el trabajo mecánico  disipado en el sistema de suspensión del vehículo es mayor comparado con una superficie sin irregularidades, lo que  significa una mayor disipación de energía afectando la resistencia al rodamiento, el hecho de necesitar mayor energía  para moverte significa que todo el trabajo mecánico es compensado por la potencia del motor resultando en un mayor  consumo de combustible y por lo tanto mayor emisión de gases de efecto invernadero. La calidad de los pavimentos  puede ser medida a través del índice de rugosidad internacional “IRI”, analizando los movimientos promedios de  suspensión de un vehículo de referencia sobre una longitud de distancia en unidades de metros por kilómetro. 

En tal sentido para poder determinar las emisiones adicionales de dióxido de carbono, se usó la filosofía y los modelos  matemáticos de la “termodinámica del consumo excesivo de combustible” que relaciona el consumo excesivo de  combustible que induce a una excesiva emisión de dióxido de carbono igual a la disipación de energía en la suspensión  del vehículo que representaran las propiedades mecánicas del vehículo, y los parámetros que cuantifican la rugosidad  del pavimento, que es típicamente evaluada por un perfil longitudinal que luego de ser descompuesta y aplicada una  transformada de Fourier obtenemos la densidad espectral de potencia “PSD” de rugosidad, la cual describe la  distribución de irregularidades a través de varias longitudes de onda.  

Como Resultado de esta investigación se determinó la calidad de los pavimentos de las principales calles  pertenecientes al Municipio de Oruro, Lamentablemente gran porcentaje de las mismas tienen una calidad pobre  comparada con los estándares internacionales, salvo unas pocas calles ubicadas en el centro del municipio, como la Plaza  principal y algunas adyacentes de la calle 6 de octubre logran obtener una calidad aceptable. 

Finalmente: El promedio de dióxido de carbono “CO2” adicional emitido para un vehículo liviano por kilómetro de  recorrido en el Municipio de Oruro producto del mal estado de los caminos es de 13.5 [gr / km - veh], que representa un  9.44% adicional de CO2 comparado con un camino en condiciones ideales. 

Los Resultados Presentados anteriormente tienen un carácter muy técnico, para poder entender esto de mejor manera es  necesario plantear un ejemplo analógico

Según datos del INE 2019 el municipio de Oruro tiene 80486 vehículos livianos y apenas 34000 árboles

Si ponemos el caso hipotético en el que una persona maneja en promedio 4 kilómetros por día y suponemos que la  totalidad de vehículos livianos del municipio son usados a diario. Para poder compensar las emisiones adicionales de CO2  producidas por el mal estado de los caminos en 1 año necesitaríamos alrededor de 75000 árboles

Recordar que esa cantidad de árboles tan solo representan un 9.44% de la totalidad de contaminación  que produce un vehículo liviano de combustión interna. 

AUTOR: M.Sc. Ing. Jaime Navía Téllez 

R.N.I.: 29928

Lunes, 12 Julio 2021 00:00

Determinación de las emisiones adicionales de dióxido de carbono en vehículos livianos de combustión interna debido a la disipación de energía en el sistema de suspensión inducidos por índices de rugosidad internacional elevados en pavimentos

“Caso de estudio Municipio de Oruro” 

RESUMEN 

Un vehículo liviano de combustión interna emite en promedio alrededor de 143 gramos de  dióxido de carbono CO2 por Kilómetro de recorrido según estudios de la AEMA (Agencia  Europea De Medio Ambiente), estos valores son en condiciones ideales es decir en caminos que  tengan una calidad aceptable. Pero si tú te desplazas por caminos de mala calidad, la cantidad  de emisiones de CO2 será más alta comparado con los 143 gramos que emitías en un principio. ¿Pero cuánto es esta cantidad adicional de CO2 que tú emites por circular en caminos de mala  calidad? Es justamente el objetivo de esta investigación.  

La calidad de los pavimentos está directamente relacionada con el consumo de combustible y  por lo tanto con las emisiones de dióxido de carbono. Si tu manejas a velocidad constante en  superficies irregulares, el sistema de suspensión del vehículo produce un mayor movimiento  debido a estas irregularidades, en otras palabras el trabajo mecánico disipado en el sistema de  suspensión del vehículo es mayor comparado con una superficie sin irregularidades, lo que  significa una mayor disipación de energía afectando la resistencia al rodamiento, el hecho de  necesitar mayor energía para moverte significa que todo el trabajo mecánico es compensado  por la potencia del motor resultando en un mayor consumo de combustible y por lo tanto  mayor emisión de gases de efecto invernadero. 

En tal sentido para poder determinar las emisiones adicionales de dióxido de carbono, se usara  la filosofía y los modelos matemáticos de la “termodinámica del consumo excesivo de  combustible” 

Palabras Clave: Dióxido de carbono, Gases de Efecto invernadero, Densidad espectral de  potencia de rugosidad, Disipación de Energía, Índice de rugosidad Internacional.

INTRODUCCION 

El cambio climático está ocurriendo ahora, la principal consecuencia del cambio climático  es el calentamiento global, el aumento de la temperatura del planeta provocado por las  emisiones a la atmósfera de gases de efecto invernadero derivadas de la actividad del ser  humano, están provocando variaciones en el clima que de manera natural no se producirían,  es verdad que la Tierra ya se ha calentado y enfriado en otras ocasiones de forma natural  pero todos estos ciclos ocurrían de manera muy lenta necesitando millones de años para  producirse, mientras que ahora y como consecuencia de la actividad humana estamos  alcanzando niveles muy altos en poco tiempo. El efecto invernadero es un proceso natural que permite a la Tierra mantener las condiciones necesarias para albergar vida, la atmósfera  retiene parte del calor del Sol, sin el efecto invernadero, la temperatura media del planeta  sería de 18ºC bajo cero, La atmósfera está compuesta por diversos gases que en la  proporción adecuada cumplen su cometido. El problema está cuando las actividades del ser  humano aumentan la emisión de gases de efecto invernadero a la atmósfera y ésta retiene  más calor del necesario, provocando que la temperatura media del planeta aumente y se  produzca lo que popularmente llamamos calentamiento global. 

El hombre comenzó a incidir en el cambio climático con el comienzo de la Revolución  Industrial como el punto de inflexión en el que las emisiones de gases de efecto invernadero  arrojadas a la atmósfera empezaron a dispararse. Hay que recordar que la Revolución  industrial nació de otras muchas pequeñas revoluciones, la agrícola, la tecnológica, la  demográfica y de medios de transporte, que dieron lugar a un nuevo modelo de producción y consumo.

Nuestro planeta se está haciendo cada vez más caliente nos guste o no, imaginemos el día  más caluroso que hayamos vivido, ahora a esa temperatura súmale entre 6 a 10 grados  Celsius, ese es el tipo de futuro que nos espera si no hacemos algo para reducir  significativamente nuestra emisiones de gases de efecto invernadero, 9 de cada 10  científicos afirman que nuestras emisiones de carbono son la principal causa del  calentamiento global, el hielo de los glaciales se está derritiendo rápidamente y el número  de desastres relacionados con el clima se está triplicando desde 1980, todo esto tiene un  impacto negativo en nuestra sociedad y economía, pero ahora que sabemos todo esto. 

¿Qué podemos hacer para ayudar? 

Lo ideal sería centrarse en todos los sectores pero en este artículo solo se analizara el sector  del transporte. 

Figura 1: Emisiones de Co2 producidas por el transporte 

 Fuente: co2 emissions statistics: co2 emissions from fuel combustion 2018 overview. International energy agency, 2018.  

El transporte global representa más de una cuarta parte del total de emisiones, lo que se traduce  en alarmantes 8 giga toneladas de co2, con un incremento alarmante en tan solo 26 años como  se puede observar en la gráfica anterior. 

Para poder entender esto es necesario plantear un ejemplo analógico en cantidad de árboles  necesarios para compensar el co2 emitido. 

Para poder compensar 8 giga toneladas de co2 emitidas por el sector del transporte necesitaríamos alrededor de alarmantes 9.5 billones de árboles, es por eso la importancia de  contribuir a la reducción de las emisiones de dióxido de carbono en el sector del transporte. Para poder eliminar las emisiones de dióxido de carbono debido al sector del transporte  necesitaríamos una reducción en cuanto al uso o el reemplazo total de vehículos de combustión  interna por vehículos eléctricos o medios de transporte ecológicos, lastimosamente es algo que  no va a ocurrir a corto plazo, y lo peor es que el número de vehículos solamente se está  incrementando como se puede observar en la siguiente gráfica.

Figura 2: Crecimiento del número de vehículos de combustión interna 

 Fuente: Number of motor vehicles in the world since 1900 [Smil 1994]  

 Otra alternativa podría ser el uso de vehículos cada vez más livianos y con motores más pequeños como  muestra la siguiente gráfica, pero es algo que de la misma manera no ocurrirá a corto plazo. 

 

 Figura 3: Emisiones de Co2 dependiendo del peso del vehículo 

 Fuente: Federation internationale De L´Automobile (FIA)

La única manera de poder actuar a corto plazo es mediante el cuidado de nuestras  infraestructuras viales, Si el pavimento presenta un deterioro estructural importante (grietas,  baches, deformaciones, agrietamiento grueso, desintegraciones graves), los vehículos ligeros  emiten hasta un 9% más de CO2 (un 6% los pesados). Si el deterioro es superficial  (agrietamiento fino, desintegraciones ligeras, descarnaduras, exudaciones), las emisiones se  incrementan un 5% y un 4% para cada tipo de vehículo. Una carretera en mal estado también  compromete la seguridad, ya que desgasta los neumáticos (3% los ligeros, y 2% los pesados). 

Todo esto se debe a que las carreteras en mal estado tienen más irregularidades o deformaciones  verticales que carreteras en buen estado, que se conocen con el nombre de índice de rugosidad  internacional “IRI” producto de estas deformaciones es que la suspensión del vehículo trabaja  más, es decir produce más energía, de hecho cuando un vehículo viaja a velocidad constante  sobre una superficie irregular el trabajo mecánico disipado en el sistema de suspensión del  vehículo es compensado por la potencia del motor del vehículo, resultando en un excesivo  consumo de combustible lo que induce a una excesiva emisión de dióxido de carbono, como se  puede observar en la siguiente gráfica:

Figura 4: Interacción vehículo Pavimento 

Fuente: Zaabar, Chatti, K. 2010. Calibration of HDM – 4 Models for estimating the effect of pavement roughness on fuel consumption for U.S. C.

IRI: El Índice de Regularidad Internacional (IRI) presenta una escala única de valores para la  medida de la regularidad superficial de los caminos, que puede ser utilizada por la gran mayoría  de los aparatos de auscultación que existen en la actualidad. 

La regularidad es la característica que más influye en las sensaciones de confort y seguridad que  experimenta un usuario al circular por una carretera. Cabe destacar que la regularidad superficial  es mucho más valorada por el conductor que la capacidad portante en sí y que esta última tan  sólo le interesa en cuanto incide en la primera por la aparición de baches y otras deformaciones.  

Muchos técnicos e investigadores han desarrollado en los últimos 20 o 30 años una diversidad  de aparatos y técnicas para medir la regularidad superficial. La regularidad superficial es un  fenómeno que depende primordialmente del perfil longitudinal de la superficie de la carretera,  pero también depende de las características mecánicas de los vehículos y de la velocidad de  circulación de éstos. 

Para definir el IRI se emplea un modelo matemático que simula la suspensión y masas de un  vehículo tipo, circulando por un tramo de carretera a una velocidad determinada. Este modelo se  conoce por sus siglas en inglés, QCS (Quater Car Simulation), dado que representa la cuarta  parte de un vehículo de cuatro ruedas o un remolque de una sola rueda. 

El IRI en un punto de una carretera se define como la razón del movimiento relativo acumulado  por la suspensión del vehículo tipo, dividido por la distancia recorrida por dicho vehículo. Si se  conoce el perfil longitudinal de la carretera, y (x), y la velocidad a la que circula el automóvil,  V, se puede calcular en cada punto el movimiento, z1 y z2, de cada una de las masas, m1 y m2,  que componen el modelo. 

A su vez se puede definir la respuesta del vehículo en términos de la pendiente rectificada, RS  (Rectified Slope), en cada uno de los puntos. 

 RSi = | z’1 – z’2 | i [1]

En donde, z1 y z2 representan las pendientes de las masas del vehículo en las distintas posiciones, i, a lo largo del camino de la rueda. 

Finalmente, el IRI se obtiene como la media aritmética de la pendiente rectificada a lo largo del  camino recorrido. Por lo tanto,

[2]

 

 

 

 

En donde n es el número de puntos contabilizados. 

Para poder medir el IRI tenemos diferentes equipos como el “Rugosimetro de Merlin” hasta  perfilometros laser, todos estos son capaces de cuantificar el estado actual de los pavimentos  pero sin la capacidad de predecir su futuro bajo la acción del clima y tráfico y mucho menos determinar las emisiones de dióxido de carbono provenientes de los vehículo asociadas con el  uso de las carreteras, más allá de todos estos problemas el factor más importante es el costo de  operación, poder determinar el estado del pavimento de toda una ciudad representaría un costo  bastante elevado, ahora nos encontramos en un momento crítico sufriendo la pandemia por el  coronavirus por lo que la economía del planeta está siendo afectada de manera alarmante, en ese  sentido no es rentable el uso de estos equipos. 

Como consecuencia de buscar metodologías más económicas para medir el índice de rugosidad  internacional se presenta en este artículo a “Carbin” una aplicación para dispositivos móviles  que es totalmente gratuita que fue desarrollado hace menos de un año por ingenieros y  programadores del MIT Y Harvard, que es capaz de analizar las señales de vibración cuando  una persona está conduciendo a través de la disipación de energía en la suspensión del vehículo  y las medidas de densidad espectral de potencia inducidos por rugosidad. 

La gran diferencia entre “Carbin” y las metodologías convencionales para medir el “IRI” es la  capacidad de medir irregularidades del pavimento en tiempo real además de las emisiones de  “dióxido de carbono” en vehículos de combustión interna, aspectos que las otras metodologías  no ofrecen. 

En tal sentido para poder determinar las emisiones excesivas de dióxido de carbono, se usara la  filosofía y los modelos matemáticos de la “termodinámica del consumo excesivo de  combustible” que relaciona el consumo excesivo de combustible que induce a una excesiva  emisión de dióxido de carbono igual a la disipación de energía en la suspensión del vehículo  que representaran las propiedades mecánicas del vehículo, y los parámetros que cuantifican la  rugosidad del pavimento, que es típicamente evaluada por un perfil longitudinal que luego de  ser descompuesta y aplicada una transformada de Fourier obtenemos la densidad espectral de  potencia “PSD” de rugosidad, la cual describe la distribución de irregularidades a través de  varias longitudes de onda. 

Disipación de energía del vehículo inducida por la rugosidad: Cuando un vehículo viaja a  velocidad constante sobre una superficie irregular, el trabajo mecánico disipado en el sistema de  suspensión del vehículo es mayor comparado con una superficie sin irregularidades y todo este  trabajo mecánico es compensado por la potencia del motor del vehículo, resultando en un  consumo excesivo de combustible. 

Además del efecto de la textura del pavimento, la disipación viscoelástica en el material y la  rugosidad del pavimento, se manifiestan como irregularidades en la superficie y han sido  reconocidos como contribuyentes principales a las interacciones entre el pavimento y el  vehículo (PVI) que afectan los costos operativos de los vehículos. 

En contraste con los enfoques empíricos, la originalidad del enfoque aquí desarrollado se  basa en una combinación de una cantidad termodinámica (disipación de energía) con  resultados de la teoría de vibraciones aleatorias para identificar relaciones de escala de la  disipación de energía del vehículo inducida por la rugosidad. 

Estamos interesados en la tasa de disipación (δD) del trabajo mecánico en forma de calor debido  al movimiento relativo, ˙z = dz / dt (con z el desplazamiento relativo de la masa suspendida m s  respecto a la masa no suspendida m u ) de la unidad de suspensión. Esta disipación depende de  las propiedades dinámicas del vehículo (m s , m u , k t , k s , C s ), la velocidad del vehículo V,  y parámetros que cuantifican la rugosidad del pavimento.  

Esta rugosidad, ξ, es típicamente evaluado por los datos del perfil longitudinal y descompuesta  después con la transformación de Fourier, en la densidad espectral de potencia (PSD) de  rugosidad que describe la distribución de rugosidad a través de varios números de onda (Ω) en  la forma de S ξ (Ω) = cΩ −w , donde c es el índice de desigualdad, y w es el número de  ondulaciones (Dodds y Robson (1973), Robson (1979), Kropac y Mucka (2008)). Buscamos así una relación entre la disipación por distancia recorrida (δc = δD / V) y estos parámetros.

[3]

 

 

 

Después de realizar un análisis dimensional de la ecuación [3] considerando un sistema de  extensión de dimensiones base (Lx, Lz, M,T) que considera, además de la masa (M) y el tiempo  (T), dos dimensiones de longitud características independientes, una para la dirección de  conducción (L x ), otro para la dirección vertical del movimiento del vehículo (Lz). 

Esto permite a uno, de acuerdo con el teorema de PI (Buckingham (1914)) reducir el  problema dimensional definido por la Ec. (3) a una relación adimensional de la forma:

[4]

 Donde ω u = √k t / m u y ω s = √k s / m s son la frecuencia natural de las masas suspendidas,  mientras que ω i = V Ω i representan las frecuencias angulares. 

El análisis dimensional es capaz de aislar en el lado izquierdo de la Ec. [4] el impacto de  rugosidad del pavimento (capturada por el índice de desnivel cy el número de ondulación w) en la disipación, de las propiedades dinámicas adimensionales del vehículo en el lado derecho. 

MATERIAL Y ÁREA DE ESTUDIO 

El caso de estudio corresponde al Municipio de Oruro, específicamente a las principales calles o “calles céntricas” ya que son las que tienen mayor densidad vehicular y por lo tanto mayor  aporte en cuanto a emisiones de dióxido de carbono. 

En este trabajo se ha utilizado un dispositivo móvil con sensores capaz de medir las magnitudes  de aceleraciones en las coordenadas x,y,z. 

Un vehículo particular tipo camioneta marca FIAT de 1200 kg de peso y suspensión delantera  independiente tipo McPherson con amortiguación de doble efecto y suspensión trasera de eje  rígido con amortiguadores telescópicos de doble efecto y elástico parabólico longitudinal. 

Figura 5: Área de estudio Municipio de Oruro 

Fuente: Fix my road 

METODOLOGÍA 

Para poder determinar las emisiones excesivas de dióxido de carbono, se usara la filosofía y los  modelos matemáticos de la “termodinámica del consumo excesivo de combustible” que  relaciona el consumo excesivo de combustible que induce a una excesiva emisión de dióxido de  carbono igual a la disipación de energía en la suspensión del vehículo que representaran las  propiedades mecánicas del vehículo, y los parámetros que cuantifican la rugosidad del  pavimento, que es típicamente evaluada por un perfil longitudinal que luego de ser descompuesta y aplicada una transformada de Fourier obtenemos la densidad espectral de  potencia “PSD” de rugosidad, la cual describe la distribución de irregularidades a través de varias longitudes de onda.  

Primero necesitamos cuantificar la calidad del pavimento, es decir determinar el Índice de  rugosidad internacional “IRI”. El IRI se ha elaborado a partir de un estudio del Banco Mundial  en la década de 1980, se basa en un modelo matemático llamado “Quarter-car” y desarrollado  para evaluar la calidad del viaje sobre pavimentos de carreteras. La evaluación la realiza un  modelo calculando el movimiento de suspensión simulado en un perfil y dividiendo la suma por  la distancia recorrida según la Ecuación:

[5]

 

 

Donde “L” es la longitud del perfil en km, “v” es la velocidad simulada igual a 80 km / h, “Z s” es la derivada del tiempo del desplazamiento vertical de la masa suspendida en “m”, y “Z u” es  la derivada del tiempo del desplazamiento vertical de la masa no suspendida en “m”. El  resultado final “V IRI” es el valor de IRI y se expresa en unidades de pendiente [m / km]. El IRI también se puede escribir de la siguiente manera: 

[6]

 

 

Rugosidad longitudinal, “Ꜫ”, producto de las vibraciones 

Movimiento de la suspensión, |Z| es la respuesta del vehículo a las vibraciones inducidas.

Figura 6: Interacción sistema de suspensión vehicular 

Fuente: Zaabar, Chatti, K. 2010. Calibration of HDM – 4 Models for estimating the effect of pavement roughness on fuel consumption for U.S. C.

Tenemos distintos valores referenciales de IRI dependiendo del estado del pavimento

Figura 7: Valores de IRI para diferentes estados de pavimento y distintas velocidades 

Fuente: Sayers M.W., Karamihas S.M., (1998) The little Book Of Profiling, U. Mich.

El IRI no es nada más que un movimiento de suspensión promedio de un vehículo de referencia  sobre longitud de distancia parámetros que cuantifican la rugosidad del pavimento, que es  típicamente evaluada por un perfil longitudinal que luego de ser descompuesta y aplicada una  transformada de Fourier obtenemos la densidad espectral de potencia “PSD” de rugosidad, la  cual describe la distribución de irregularidades a través de varias longitudes de onda.  

De manera técnica se tendría:

Figura 8: Aplicación transformadas de Fourier 

 Fuente: https://www.reddit.com/r/math/comments/30ml91/clear_visualization_of_the_fourier_transform/

Debemos establecer una relación entre la energía disipada y la rugosidad. El IRI es establecido  como la pendiente promedio rectificada (ARS), que es el movimiento de suspensión acumulado  dividido por la distancia recorrida, es decir  (Sayers et al. (1986), Johannesson y Rychlik (2012)). Asumiendo una distribución marginal gaussiana para el perfil  de la carretera, el valor absoluto del movimiento de suspensión del vehículo | z | sigue una  distribución normal plegada (Leone et al., 1961). El valor esperado de IRI por lo  tanto será: 

 [7]

 

Descrito de otra manera: 

 [8]

 

 

 

 

 

 

[9]

 

IRI = Medida de movimiento de suspensión de un vehículo especifico (gc) a una velocidad de  referencia fija (Vo = 80 km/hr ) a lo largo de una distancia “L” 

Rugosidad longitudinal, “Ꜫ”, producto de las vibraciones 

Movimiento de la suspensión, |Z| es la respuesta del vehículo a las vibraciones inducidas por  rugosidad. 

De manera gráfica tenemos: 

 

Figura 9: Densidad espectral de potencia (PSD) 

 Fuente: Sayers M.W., Karamihas S.M., (1998) The little Book Of Profiling, U. Mich.

Esto significa que utilizamos la transformación en función de frecuencias espaciales llamadas  densidad espectral de potencia (PSD) que se escala negativamente con un factor llamado  número de ondulación, ahora cuando multiplicamos la respuesta de esta potencia de densidad  espectral por un valor conocido para un automóvil de referencia e integramos en un dominio  espacial, que en realidad podemos derivar de valores de IRI de frecuencias espaciales.

¿Cómo influye la rugosidad en el consumo de combustible? 

Dado que la rugosidad de la carretera ξ es aleatoria, el movimiento de suspensión y en  consecuencia la disipación de energía en la ecuación [3] son cantidades estocásticas. Modelando la rugosidad de la carretera y el movimiento de la suspensión como procesos estocásticos  definidos en el espacio y el tiempo, Ecuación (3) se reescribe en la forma, donde Cs es el  coeficiente de viscosidad.

[10] 

 

El cuadrado medio del movimiento de suspensión se puede determinar en términos de las  propiedades de la entrada estocástica, es decir el perfil de rugosidad, utilizando la teoría de  vibraciones aleatorias.  

La densidad espectral de potencia (PSD) de un proceso estacionario en ± T / 2 también se puede  expresar en términos de la transformada de Fourier: 

[11] 

Se puede demostrar que para cualquier proceso estocástico ξ (t), La función PSD Sξ (ω) es  positiva y real e incluso también se puede especificar como una función unilateral solo en  frecuencias positivas. De especial interés es el caso en el que el lapso de tiempo es τ = 0, ya que  esto da el cuadrado medio de ξ (t) como el área bajo su PSD:

[12] 

Respuesta de un sistema dinámico lineal a variaciones aleatorias 

Una vez que la variación de entrada ξ (t) se descompone a un sistema lineal en sus armónicos a  través de la Transformada de Fourier, la respuesta de estado estable en el dominio de  frecuencia ̂z (ω) se puede expresar como: 

 z(ω) = Hz (ω) ξ (ω) [13] 

Donde H z (ω) es la respuesta de función de frecuencia (FRS) definida como la relación de  variación de entrada ξ (t) a la salida de interés z (t) cuando la entrada es el armónico puro (es  decir, cuando ξ (t) = exp (iωt). La respuesta de función de frecuencia para derivadas de  respuesta, se obtiene de la FRS de la respuesta original, utilizando las propiedades de la  transformada de Fourier de la derivada (es decir, dx (t) / dt = iω̂x (ω)): 

 H ˙z (ω) = iωH z (ω) [14] 

Una vez que se conoce la FRS, la PSD de respuesta se puede relacionar con la PSD de variación de entrada a través de:

 S z (ω) = | H z (ω) |2 Sξ (ω) [15] 

Usando las Ecs. (12), (13) y (14) el cuadrado medio del movimiento de suspensión se expresa  en términos de la función de respuesta de frecuencia “Hz (ω)” y densidad espectral de potencia  de la rugosidad “Sξ (ω)”: 

[16] 

Finalmente: 

Usando la termodinámica del consumo excesivo de combustible: 

Consumo excesivo de combustible = Energía disipada en la suspensión 

[17] 

 V = Velocidad del vehículo 

fs = Frecuencia de resonancia del vehículo 

ζ = Movimiento de suspensión 

ms = Masa del vehículo 

CAL = (1/34.2) lt / mj (gasolina) = (1/15) kg CO2 / mj 

 

[18] 

 

 

 

 

 

Rugosidad longitudinal, “Ꜫ”, producto de las vibraciones 

Medidas de  

Rugosidad 

Densidad espectral de  Potencia (PSD)

Movimiento de la suspensión, |Z| respuesta del vehículo a las vibraciones por rugosidad. ¿Cómo relacionamos todo esto con un dispositivo móvil (Smartphone)? 

El teléfono inteligente registra las aceleraciones de la masa corporal,Zs(t): Zs

Figura 10: Interacción sistema de suspensión vehicular y su relación con el GPS de los Smartphone Fuente: Zaabar, Chatti, K. 2010. Calibration of HDM – 4 Models for estimating the effect of pavement roughness on fuel consumption for U.S. C

 

 

NOTA: en la ecuación [20] se aplicó la aceleración de la media cuadrática o raíz de la media  cuadrática (RMS). 

¿Cómo funciona CARBIN? 

El dispositivo móvil debe estar colocado en una posición estable, independientemente de la  posición, las variaciones de IRI desde un punto de vista estadístico siguen un mismo patrón  dando el mismo resultado, se da inicio a la aplicación y se comienza a recolectar datos. La entrada de datos se proporcionan mediante aceleraciones y frecuencia de aceleración de 100  Hertz y coordenadas GPS a frecuencia de 1 Hertz. 

Estos valores se transmiten al servidor en intervalos de aproximadamente 3 minutos, que en  promedio se transmiten 12 MB de datos por hora de uso, que depende de las condiciones de  tráfico. 

La aplicación puede recolectar datos sin tener conexión a internet, una vez se tenga una  conexión estable se enviaran posteriormente a los servidores. 

Finalmente los datos son analizados en los servidores y mediante las ecuaciones que se  describen en este artículo, se proporcionan 3 salidas de resultados que son: Resultado Carbin: Es el porcentaje de datos enviados que analizó Carbin. El Teléfono en una  posición fija y estable conduce a un resultado mayor al 85%, mientras que el montaje inestable o  el movimiento frecuente del teléfono conduce al resultado menor al 50%. Calidad de la carretera: que es el índice de rugosidad Internacional “IRI” en [m/km] 

Ahorro de dióxido de carbono CO2: Es el potencial de ahorro de emisiones de carbono del  viaje en comparación con la conducción por una carretera en buen estado. Como referencia, un  árbol puede absorber hasta 22kg de CO2 por año. 

RESULTADOS Y CONCLUSIONES 

Las mediciones se realizaron en el mes de Septiembre del 2020 

 

 

 

Nota: los mapas presentados anteriormente pertenecen solamente a las calles principales del  Municipio De Oruro. A continuación se muestra El mapa Final con la totalidad del caso de  Estudio. 

Como se puede observar en la figura 25, casi la totalidad de calles tienen una calidad pobre  comparada con los estándares internacionales, salvo unas pocas calles del centro, como la Plaza  principal y algunas cuadras de la calle 6 de octubre, que logran obtener una calidad aceptable.

Resultados Finales: 

Promedio de emisiones de dióxido de carbono CO2 adicionales para un vehículo liviano por kilómetro  de recorrido, en el municipio de Oruro (Producto del mal estado de los caminos) = 13.5 [gr / km - veh] 

Un vehículo de combustión interna liviano emite en promedio alrededor de 143 gramos de dióxido de  carbono CO2 por Kilómetro de recorrido. 

Esto significa que en el municipio de Oruro producto del mal estado de los caminos se emite 9.44 % adicional de CO2 comparado con un camino en condiciones ideales. 

Estos dos últimos resultados dan cumplimiento al objetivo de esta investigación, pero los  datos presentados anteriormente son muy técnicos y parecen no ser muy ilustrativos, para  entenderlo mejor es necesario presentar 2 ejemplos análogos. 

1) Según datos del INE 2019 el municipio de Oruro tiene 80486 vehículos livianos y apenas  34000 árboles. 

Si ponemos el caso hipotético en el que una persona maneja en promedio 4 kilómetros por día y  suponemos que la totalidad de vehículos livianos del municipio son usados a diario. Para poder  compensar las emisiones de CO2 producidas en 1 año necesitaríamos alrededor de 75000  árboles. 

2) La calle 6 de octubre es una de las calles más populares del municipio, especialmente desde  la calle bolívar hasta la calle Aroma. En el año 2011 los estudiantes de la Facultad Nacional de  Ingeniería realizaron un conteo vehicular en las calles mencionadas dando como resultado 2945  vehículos livianos circulando en los horarios desde las 6 a.m. hasta las 20:00 p.m.

Para poder compensar las emisiones de CO2 producidas por vehículos livianos en la Calle 6 de  octubre necesitaríamos alrededor de 670 árboles. 

Nota: Se tiene que recordar el objetivo de este artículo, el cual era la determinación de las  emisiones adicionales en vehículos livianos que tan solo representan el 9.44% del total de  emisiones. Lo que significa que las emisiones totales son mucho mayores, ya que se tendría que  tomar en cuenta vehículos pesados (Producen mayor cantidad de CO2) y las emisiones  iniciales (Se producen desde el momento en el que el vehículo de combustión interna pone su  motor en marcha).

REFERENCIAS 

Akbarian, M., Moeini-Ardakani, S.S., Ulm, F.-J., and Nazzal, M. (2012). “Mechanis-tic  approach to pavement–vehicle interaction and its impact on life-cycle assessment. “  Transportation research record: Journal of the transportation research board, 2306(1), 171-179. 

Beuving, E., De Jonghe, T., Goos, D., Lindahl, T. and Stawiarski, A. (2004). "Fuel efficiency of  road pavements.” Proceedings of the 3rd Eurasphalt and Eurobitune Congress Held Vienna,  May 2004, Vol. 1.  

Chatti, K. and Zaabar, I. (2012). Estimating the effects of pavement condition on vehicle  operating costs, Project 1-45. National Cooperative Highway Research Program, Report 720. 

Pouget, S., Sauzéat, C., Benedetto, H.D., and Olard, F. (2011). "Viscous energy dissipation in  asphalt pavement structures and implication for vehicle fuel consumption.” Journal of Materials  in Civil Engineering, 24(5), 568-576.  

Sayers, M.W., Gillespie, T.D., and Queiroz, C. A.V.: "The International Road Roughness Experiment: A basis for Establishing a Standard Scale for Road Roughness Measurements" Transportation Research record, 1084. Washington, D.C., 1.986.

AUTOR: M.Sc. Ing. Jaime Navía Téllez

RNI: 29928

Lunes, 12 Julio 2021 00:00

Metodología para evaluar la vulnerabilidad estructural de edificaciones aporticadas de hormigón armado debido a asentamientos diferenciales

Resumen: 

Este trabajo propone una metodología  simplificada para evaluar la respuesta  estructural de edificios aporticados de  hormigón armado expuestos a asentamientos  diferenciales, mediante el uso de  procedimientos inspirados en el análisis de  riesgo sísmico. 

Calcular los asentamientos diferenciales que  una estructura puede experimentar a lo largo  de su vida útil es una tarea muy complicada  debido a la heterogeneidad del suelo y a las  condiciones externas. Por ello la metodología  utilizada permite obtener una visión  probabilística de daño estructural en varios  escenarios de amenazas, lo que permite  desarrollar un enfoque más consistente de los  límites de servicio en estructuras consideradas  “esenciales” basado en la confiabilidad y  limitando el análisis de vulnerabilidad a las  variables más importantes e influyentes de la  respuesta estructural. 

Se ha tomado en cuenta diferentes parámetros  que podrían influir en la respuesta estructural  como ser: la compresibilidad del suelo,  ubicación y magnitud del asentamiento,  tipología estructural, fluencia, características  mecánicas de los materiales, geometría y  cuantía de las secciones, para definir los  estados de daño y desarrollar curvas de  fragilidad que pueden ser utilizadas para  evaluar cuantitativamente la vulnerabilidad  estructural debido a asentamientos  diferenciales no previstos por consolidación,  deslizamientos, excavaciones cercanas,  subsidencia, etc. 

Palabras clave: Vulnerabilidad, respuesta  estructural, asentamiento diferencial, curvas de  fragilidad.

  1. Introducción 

Desde hace más de 60 años se han  desarrollado estudios y metodologías para  calcular la respuesta de la edificación al  asentamiento diferencial, una tarea complicada  debido a la particularidad de cada estructura.  Algunos estudios relevantes son los realizados  por Skempton y MacDonald (1956), Burland y  Wroth (1974) y Son y Cording (2011) que  representan las diferentes tendencias  desarrolladas a lo largo del tiempo como ser:  los métodos empíricos, los métodos basados  en el análisis estructural y los métodos  basados en modelaciones numéricas.

Skempton y MacDonald (1956) través de la  observación de daños causados por  asentamientos diferenciales en 98 edificios de  diferente tipología estructural recopilaron 

información estadística para establecer los  niveles de daño arquitectónico y estructural. Usaron la distorsión angular como parámetro para establecer el nivel de daño, el cual se  define como la relación entre el asentamiento  diferencial entre dos columnas vecinas y la  distancia horizontal entre ejes. Por ejemplo el  valor límite de distorsión angular adoptado  para iniciar la aparición de grietas en paredes  o acabados es de 1/300 y un valor de 1/150  para generar daños estructurales, es decir,  para luces de 6 m estos límites corresponde a  2 y 4 cm, respectivamente. 

Burland y Wroth (1974) afirmaron que la  aparición de fisuras en las estructuras era  resultado de la deformación critica a tracción  de los materiales (εlim), por lo cual utilizando 

principios de la resistencia de materiales y  análisis estructural establecieron un nuevo  enfoque al representar al edificio como una  viga elástica, homogénea, simplemente  apoyada, de longitud y altura igual que el  edificio, pero con espesor unitario, sin tomar  en cuenta la ubicación de puertas y ventanas.  Para evaluar la respuesta estructural aplicaron los posibles desplazamientos (aislados) del  suelo de fundación a la viga equivalente como  una carga puntual y calcularon las  deformaciones usando la ecuación de  Timoshenko, que toma en cuenta las  deformaciones por corte y flexión. 

Son y Cording (2011) realizaron estudios  numéricos para modelar un edificio de cuatro  pisos con tres diferentes tipologías  estructurales, cada uno fue sometido a un  mismo perfil de asentamiento en dos tipos de  suelo para evaluar la respuesta realizando  análisis elásticos e inelásticos y tomando en  cuenta la interacción suelo-estructura. Los  resultados demostraron que la respuesta  estructural es altamente dependiente de la  compresibilidad del suelo. Una vez que el  agrietamiento ocurre, las grietas subsecuentes  se concentran alrededor de las iniciales y se  propagan aún más siguiendo el perfil de  asentamiento del suelo provocando mayor  distorsión a la estructura. 

El avance de la tecnología ha permitido que se  desarrollen investigaciones de vulnerabilidad  estructural por asentamientos no previstos del  suelo, usando modelaciones numéricas que  son más económicas que los estudios  experimentales y dan un panorama  aproximado que permite identificar los  elementos críticos de las estructuras,  reforzarlos y mejorar su diseño. 

Entre las investigaciones de vulnerabilidad  estructural por asentamientos diferenciales  utilizando curvas de fragilidad destacan las  realizadas por: Neguslescu y Foerster (2010), 

quiénes realizaron análisis numéricos para  determinar la vulnerabilidad de un pórtico de  hormigón armado expuesto a asentamientos  por excavaciones cercanas, Cifuentes (2011),  analizó la vulnerabilidad física de estructuras  de uno y dos pisos, asociada a deslizamientos,  De Lira (2016), estudió la vulnerabilidad  estructural debido a la subsidencia del suelo. 

En Bolivia la normativa no establece  recomendaciones cuantitativas sobre los  límites tolerables de asentamientos  diferenciales en las edificaciones, sino que lo  deja al criterio del ingeniero calculista. Por lo  tanto es deber del ingeniero estructural realizar  una evaluación realista de la vulnerabilidad de  las estructuras frente a las amenazas que  pueden suscitar a lo largo de su periodo de  vida útil, en especial si se trata de estructuras  consideradas esenciales como ser: colegios,  hospitales, fábricas, etc. 

Este trabajo de investigación realiza una  revisión general de las metodologías  desarrolladas a lo largo de los últimos 60 años  para calcular la respuesta estructural debido a  los asentamientos diferenciales y los estados  de daños alcanzados, haciendo énfasis en  particular a la evaluación de la vulnerabilidad  de estructuras esenciales de cinco pisos  formadas por un sistema de pórticos de  hormigón armado con fundaciones  superficiales de zapatas aisladas conectadas  entre sí con vigas de enlace y considerando la  interacción suelo-estructura, para lo cual se  realiza el modelamiento computacional en el  programa SAP2000 incorporando las  características mecánicas de los materiales  constituyentes y su afectación a través del  tiempo en 0.5 y 5 años. 

  1. Materiales y métodos 

La investigación realizada es de tipo  paramétrica, en la cual a través de la  manipulación de variables se identificará los factores más relevantes en la respuesta estructural debido a diferentes asentamientos  del suelo y los niveles de daño alcanzados,  tomando en cuenta la interacción suelo estructura, compresibilidad del suelo, las  propiedades mecánicas de las secciones, la no  linealidad de los materiales y el tiempo en el  que es aplicado el asentamiento, con el fin de desarrollar una metodología simplificada que  permita evaluar la vulnerabilidad de  estructuras aporticadas de hormigón armado  expuestas a asentamientos diferenciales. 

En la investigación se utiliza procedimientos  inspirados en el riesgo sísmico, como ser: el  análisis estático no lineal o pushover. Por lo  general en este tipo de análisis se impone un  conjunto de fuerzas laterales a la estructura  que van incrementando de manera monotónica  hasta que la estructura alcanza su capacidad  máxima, lo cual nos permite identificar la  secuencia de agrietamiento, ductilidad,  cedencia y falla de los elementos. A pesar de  que los sismos son movimientos horizontales  de rápida duración a comparación de los  asentamientos diferenciales, es posible  adaptar este análisis para imponer  

Las deformaciones del hormigón dependientes  del tiempo como la fluencia se calcula con el  método propuesto por la CEP-FIB del módulo  efectivo, para un tiempo de 0.5 y 5 años, que  por su sencillez el programa SAP2000 las  incluye en el análisis, en opciones de  propiedades avanzadas de los materiales que  dependen del tiempo.  

2.1 Características de los materiales  constitutivos 

Se toma en cuenta la no linealidad de los  materiales. Para lo cual se eligen los modelos  propuestos por Hognestad (1951) y Kent y  Park (1971) para el hormigón, y los valores  propuestos por Fargier y Fargier (2010) para  definir analíticamente el comportamiento del  acero. 

 Figura 1. Variación del comportamiento no  lineal del hormigón en diferentes secciones de  la estructura (Elaboración Propia).

Figura 2. Modelo constitutivo del acero  Fy=4200kg/cm2(Elaboración Propia).

Para el hormigón se eligió una resistencia  característica de f’c=210 kg/cm2; un módulo de elasticidad igual a Eo=219.600 kg/cm2 en la  etapa lineal elástica y con valores variables en  el descenso de la curva del modelo constitutivo  según las características mecánicas de cada  sección. El acero tiene una resistencia a la  fluencia de Fy=4200 kg/cm2, fsu=7.000 kg/cm2;  y un módulo de elasticidad igual a  Es=2.100.000kg/cm2. 

El suelo de fundación es de compresibilidad  media, cuyas propiedades físicas y mecánicas  se obtuvieron del proyecto de pregrado  Gallardo, G. (2014), realizada en el laboratorio  de suelos de la Universidad Autónoma Juan  Misael Saracho, con una capacidad admisible  igual a qadm=1.70kg/cm2 y un módulo de  compresibilidad igual a mv=0.01cm2/kg  obtenido del ensayo de consolidación  unidimensional. 

2.2 Diagrama Momento Curvatura 

Para comprender el comportamiento de las  edificaciones de hormigón armado afectadas  por los asentamientos diferenciales en forma  incremental, monotónica y lenta, es necesario  analizar la deformación de las secciones  críticas de los elementos solicitados a flexión y  flexo-compresión en base a los modelos  constitutivos definidos tanto para el hormigón  como el acero y establecer la relación que  existe entre el momento resistente de la  sección y su correspondiente curvatura a  través de la elaboración de los denominados  diagramas momento-curvatura. 

2.3 Descripción de los modelos 

En la figura 3 se muestra la planta tipo  utilizada en los análisis, el cual consiste en un  sistema aporticado de hormigón armado de 5  pisos, simétrico, con una altura de entrepisos  igual a 3m y 3 vanos de vigas de 6m en cada  dirección. 

a)

b)

Figura 3. a) Vista en planta de la tipología  propuesta para el análisis. b) Vista de  elevación (Elaboración Propia) 

El sistema de fundación está formado por  zapatas aisladas: centrales, medianeras y de  esquina según su ubicación, conectadas entre  sí por vigas de enlace a un nivel de desplante  de 1.50m, apoyadas en estratos de 10 metros  de suelo compresible. 

Las vigas interiores, exteriores, de arriostre y  columnas de la estructura se modelaron en el  programa SAP2000 como elementos tipo  “frame”. Las zapatas se modelaron con la  opción “Shell”.  

Aguirre y Amaris (1997) recomiendan para la  modelación de zapatas aisladas en el  programa ISE, usar una malla de 25 nodos en  adelante para la obtención de momentos y  cortantes representativos. 

El módulo de reacción de suelo se modela a  través de elementos “Springs”, resortes  traslacionales en la dirección “Z” y ubicados en  los nodos de los elementos Shell, los cuales  sólo son un artificio en el proceso de iteración,  el cual consiste en asignar un valor inicial del  módulo de Balasto “K”, mismo que se va  modificando con cada ciclo de iteración del  ISE. 

Figura 4. Nivel de desplante de la fundación y  profundidad de influencia del suelo en los  asentamientos. (Elaboración Propia).

 

Figura 5. Modelado de la estructura en el  programa SAP2000. 

 2.4 Tipos de análisis 

Se considera dos tipos de análisis, en el  primero se realiza un análisis estático lineal del  edificio en el programa SAP2000, tomando en  cuenta la interacción suelo – estructura para  obtener las solicitaciones y diseñar del  refuerzo; en el segundo análisis se añade al  SAP2000 la cuantía calculada de cada  sección, las características dependientes del  tiempo de los materiales y los asentamientos  inducidos en los nudos de zapatas o grupo de  

zapatas: central, de esquina o medianera  según corresponda, para realizar un análisis  estático no lineal con la obtención de  solicitaciones en cada etapa de incremento del  asentamiento hasta la falla de algunos de sus  elementos. 

2.5 Asentamientos verticales impuestos en  el análisis estático no lineal. 

Se impone una gama de desplazamientos  verticales en los nudos de las zapatas, que  van aumentando monotónicamente en cada  etapa del análisis (desde 0.10mm, 0.15mm,  0.20mm, 0.25mm, etc) para simular los  movimientos lentos característicos del suelo.  Los modelos de asentamiento diferencial  analizados en la estructura son: 

  • El modelo I corresponde al  asentamiento diferencial impuesto en  una zapata de medianería en un  periodo de 0.5 y 5 años. 
  • En el modelo II, los asentamientos  inducidos afectan a una zapata central  durante un periodo de 0.5 y 5 años. 
  • En el modelo III, la zapata de esquina  se sometió a asentamientos  impuestos durante un periodo de 0.5 y  5 años respectivamente. 
  • En el modelo IV, un grupo de zapatas  de borde fueron sometidas a  asentamientos, que generaron un  perfil convexo del suelo (∩), durante  un periodo de 5 años. 
  • En el modelo V, un grupo de zapatas  interiores a un eje se sometieron a  asentamientos que generaron un perfil  cóncavo del suelo (∪) durante un  periodo de 5años. 

2.6 Parámetros indicadores del daño 

Las solicitaciones que se obtienen del segundo  análisis son los momentos M2-2, M3-3, y la  fuerza axial P, para determinar la capacidad de  rotación a flexión en vigas y a flexo  compresión en columnas. Por lo cual se  proponen indicadores de daños locales  basados en valores de las deformaciones  unitarias del hormigón “εc” y del acero “εs”. Los  estados discretos de daño definidos como:  muy ligero y ligero son alcanzados inicialmente  por el acero debido a que tiene un  comportamiento dúctil, cuando el acero 

sobrepasa su límite elástico las deformaciones  unitarias del hormigón se incrementan y  alcanzan estados de daño: moderado,  extensivo y completo. En la tabla 1 se  muestran los valores de las máximas  deformaciones unitarias del hormigón y acero  para cada tipo de daño con su correspondiente  descripción.  

Esta tabla corresponde a una recopilación de  valores asumidos en diferentes investigaciones  consultadas de la bibliografía con su  correspondiente adaptación a este trabajo de  investigación. 

2.7 Identificación de los elementos críticos  de la estructura. 

Una de las cualidades de las estructuras de  hormigón armado es la ductilidad aportada por  el acero, que proporciona capacidad de  rotación plástica a las secciones frente a  solicitaciones mayores del diseño,  redistribuyendo los esfuerzos a otras  secciones contiguas menos solicitadas.  

Luego de una revisión general del incremento  en las solicitaciones en la estructura después  del asentamiento diferencial se comprobó que  los elementos críticos son los que están  conectados a la línea de aplicación del  desplazamiento vertical, afectando a vigas,  columnas y vigas de enlace respectivamente. 

2.8 Construcción de las Curvas de  Fragilidad. 

Las curvas de fragilidad se construyen a partir  del ajuste de funciones de distribución log normal a los resultados obtenidos en el  análisis. Según Bonett (2003) este tipo de  función describe la dispersión en la ocurrencia  de fallo de los elementos, ocasionado por la  variabilidad de los desplazamientos verticales,  compresibilidad del suelo, rigidez de la  fundación, aplicación de las cargas, etc. Las curvas de fragilidad permiten obtener para  cada valor de asentamiento la probabilidad de  exceder un determinado estado de daño. Se  construyen usando funciones de distribución  acumulativa log-normal, basándose en dos  parámetros de fragilidad: un valor medio (μδ),  y un valor de la dispersión estándar (σδ) en la  siguiente fórmula matemática:  

Tabla 1. Indicadores de daño local según los  valores permisibles de las deformaciones  unitarias del hormigón y acero para cada  estado límite. 

 

Daño  

Estructural 

Descripción

Muy  

Ligero

Se observan pequeñas fisuras  muy finas o del espesor de un  cabello (<0.1mm). En términos  del diagrama “momento  curvatura” se puede indicar que  los elementos han sobrepasado  el punto de agrietamiento pero  están distantes del punto de  fluencia.

εc=

Grafica  

M-ϕ

εs

0.001

Ligero

Se pueden observar pequeñas  fisuras por flexión menores a 0.4  mm en la cara traccionada, por lo  que el estado límite de  deformación unitaria corresponde  al límite de la elasticidad del  acero.

εc=

Grafica  

M-ϕ

εs

0.002

Moderado

La sección se encuentra al límite  de la respuesta elástica lineal, el  acero fluye y comienzan a  aparecer fisuras más  pronunciadas.

εc= 

0.002 

εs=

Grafica  

M-ϕ

Extensivo

Respuesta no lineal de la  sección, se alcanza la resistencia  a flexión, el hormigón llega a la  máxima deformación útil a la  compresión, se inicia el  desprendimiento del  recubrimiento, lo que conlleva a  una reparación significativa de la  estructura.

εc= 

0.003 

εs=

Grafica  

M-ϕ

Completo

Desprendimiento total del  hormigón de recubrimiento de la  sección.

εc> 

0.0038 

εs=

0.015< 

εs <  0.063

(Elaboración propia).

Donde Fi(D) es la probabilidad que el elemento  alcance un estado de daño “i” o un estado de  daño más severo como una función del  parámetro de demanda “D”; Ø denota el  parámetro de la distribución normal estándar  acumulada, σδ es la desviación estándar  logarítmica, δmax es el valor límite para el  estado de daño “i” y μδ es el valor medio de  los parámetros indicadores de daño  correspondientes a las deformaciones unitarias  de la sección. La probabilidad de excedencia  para que el elemento sobrepase el estado de  daño “i” está dado por: 

Las curvas de fragilidad se grafican tabulando  las deformaciones unitarias de las secciones  transversales más solicitadas en vigas y  columnas por los momentos flectores  inducidos de los asentamientos diferenciales.  Para obtener la probabilidad de excedencia  asociado al estado de daño anteriormente  descrito se utiliza el programa Excel usando la  función de distribución Log-normal con el  cálculo de la media y desviación estándar,  para poder generar las curvas de fragilidad  correspondientes. 

A continuación se enumeran los pasos de la  metodología propuesta para realizar el análisis  de vulnerabilidad de una estructura sometida a  asentamientos diferenciales:

I. Se define la tipología estructural y  las características mecánicas de  los materiales constitutivos.

II. Se elige el sistema de fundación.

III. Se realiza el pre dimensionamiento de los  elementos de la estructura. 

IV. Se modela la estructura y el suelo  de fundación en un programa de elementos finitos.

V. Se definen estados de cargas y  combinaciones. 

VI. Se analiza la estructura tomando  en cuenta la interacción suelo estructura. 

VII. Se calcula el refuerzo de las  secciones con la norma ACI. 

VIII. Se ajustan las curvas analíticas  esfuerzo-deformación de los materiales constituyentes de la estructura, considerando el comportamiento no lineal  

IX. Se determinan las gráficas:  Momento–curvatura de las secciones de vigas y columnas, incluyendo los efectos del tiempo. 

X. Se definen los parámetros  indicadores del daño en función de las deformaciones unitarias del  hormigón y del acero asociado a  un estado discreto de daño. 

XI. Posteriormente se realiza un  análisis estático no lineal, imponiendo asentamientos verticales en los nodos de cada zapata: central, de esquina y medianera que van incrementando de manera monotónica.

XII. Se identifican los elementos críticos de la estructura en cada modelo de asentamiento diferencial para la obtención de sus correspondientes solicitaciones.

XIII. A través de diagramas momentocurvatura se obtienen las deformaciones unitarias de las secciones. XIV. Se calculan las curvas de fragilidad.

3. Resultados 

Después de analizar los modelos de  asentamientos propuestos, se obtienen las  solicitaciones para cada escenario de  amenaza y se grafican las curvas de fragilidad.  Donde el eje de las abscisas representa la  magnitud de la amenaza y el eje de las  coordenadas la probabilidad de que los  elementos críticos identificados sufran algún  tipo de daño de los cinco definidos en la  Tabla1.

Modelo I. Asentamientos impuestos a la  zapata medianera 

En la gráfica se puede observar que el máximo  asentamiento diferencial alcanzado para los  tiempos considerados de 0.5 y 5 años es  alrededor de 90mm. También existe una  variación favorable con la disminución de la  probabilidad de excedencia de daños para los  asentamientos impuestos a lo largo de 5 años,  el cual se hace más evidente en los primeros  15 mm del asentamiento diferencial y que  luego se va uniformizando hasta alcanzar una  diferencia promedio de 3% en favor de los  asentamientos impuestos a largo plazo. 

Figura 6. Comparación de las curvas de fragilidad del Modelo I según el tiempo de aplicación del asentamiento (Elaboración Propia).

En la gráfica se puede observar que el máximo asentamiento diferencial alcanzado para los tiempos considerados de 0.5 y 5 años es alrededor de 90mm. También existe una variación favorable con la disminución de la probabilidad de excedencia de daños para los asentamientos impuestos a lo largo de 5 años, el cual se hace más evidente en los primeros 15 mm del asentamiento diferencial y que luego se va uniformizando hasta alcanzar una diferencia promedio de 3% en favor de los asentamientos impuestos a largo plazo.

Modelo II. Asentamientos impuestos a la  zapata central

Los asentamientos impuestos a la zapata  central de la estructura alcanzaron diferentes  probabilidades de sobrepasar algún tipo de  daño, los cuales se observan en la figura 7 

para un tiempo igual a 0.5 ó 5 años.

 

Figura 7. Comparación de las curvas de fragilidad del Modelo II según el tiempo de aplicación del asentamiento (Elaboración Propia).

Modelo III. Asentamientos impuestos a la  zapata de esquina 

Los asentamientos diferenciales impuestos a  la zapata de esquina de la estructura  alcanzaron menores probabilidades de  sobrepasar algún tipo de daño en comparación  a los asentamientos en la zapata central y  medianera. 

El máximo asentamiento diferencial tolerado  por la estructura es de 81 mm y 84 mm, para  T=0.5 y 5 años respectivamente, con una  variación favorable para los asentamientos  impuestos a lo largo de 5 años, al igual que  disminución de la probabilidad de excedencia  de daños.

 

Figura 8. Comparación de las curvas de  fragilidad del Modelo III según el tiempo de  aplicación del asentamiento (Elaboración  Propia).

Modelo IV. Asentamientos impuestos a  zapatas de borde 

El Modelo IV de asentamientos monotónicos  impuestos a un grupo de zapatas de borde que  genera un perfil convexo del suelo (∩), toleró  un asentamiento máximo diferencial igual a 27  mm con diferentes probabilidades de  sobrepasar algún tipo de daño.

 

Figura 9. Curvas de fragilidad del Modelo IV,  con asentamientos diferenciales aplicados en  las zapatas de borde en un tiempo igual a 5  años (Elaboración Propia).

Modelo V. Asentamientos impuestos a  zapatas interiores a un eje 

El Modelo V, que genera un perfil de  deformación del suelo cóncavo (∪) después de  ocurrido los asentamientos impuestos a un  grupo de zapatas centrales a un eje, alcanzó  diferentes probabilidades de sobrepasar algún  tipo de daño, según se observa en las curvas  de fragilidad. El asentamiento máximo tolerado  por la estructura fue de 95mm.

Figura 10. Curvas de fragilidad del Modelo V,  con asentamientos diferenciales aplicados en  las zapatas centrales en un tiempo igual a 5  años (Elaboración Propia).

Sensibilidad del daño según configuración  de asentamientos diferenciales 

Se compara el daño estructural calculado de  los cinco modelos de asentamiento diferencial  en una tabla global de daño, considerando el  total de los elementos de la estructura, para  observar la variabilidad de la vulnerabilidad  según la configuración de los asentamientos  diferenciales impuestos en zapatas  individuales o grupales. 

Al comparar la vulnerabilidad estructural de los  cinco modelos de asentamientos, se analiza la  capacidad de servicio de la estructura con la  distribución global de daños alcanzados y se  puede evidenciar que el Modelo V  (Asentamiento de un grupo de zapatas  centrales a un eje) genera mayor  vulnerabilidad en la estructura a sufrir daños,  

seguido por el Modelo IV (Asentamiento de un  grupo de zapatas de borde), los modelos de  asentamiento individual: Modelo II  (Asentamiento de zapata central), Modelo I  (Asentamiento de zapata medianera) y  finalmente el Modelo III (Asentamiento de  zapata esquinera. 

Tabla 2. Tabla resumen de la vulnerabilidad global de la estructura según la configuración de asentamientos impuestos.

  1. Discusión 

Con base a los resultados obtenidos se  comprueba que es posible aplicar una  metodología sencilla, económica y rápida, para  evaluar la vulnerabilidad de estructuras  aporticadas de hormigón armado afectadas  por asentamientos diferenciales a lo largo de  un tiempo definido. 

Las curvas de fragilidad para evaluar el daño  pueden calcularse considerando la no  linealidad de los materiales, la interacción  suelo estructura y los efectos a largo plazo  para obtener valores representativos a la  realidad constructiva. 

Al comparar la probabilidad de daño calculado  para los asentamientos ocurridos en un tiempo  de 0.5 años vs. 5 años para un mismo modelo,  existe una variación favorable en las  estructuras que fueron sometidas a  asentamientos diferenciales en un tiempo de 5  años. El modelo II (zapata central) toleró 10  mm más de asentamiento diferencial que en  un tiempo de 0.5 años para rangos de  

vulnerabilidad similares, también se redujo la  probabilidad de daño con un asentamiento mayor en los modelos I (zapata medianera) y  III (zapara de esquina). Evidenciando que la  influencia del flujo plástico permite a las  estructuras de hormigón armado adaptarse y  tolerar mejor los asentamientos diferenciales  con el pasar del tiempo. 

La ubicación del asentamiento diferencial  parece tener mayor incidencia en los daños de  la estructura que la magnitud del mismo,  siempre que se encuentre en valores similares.  El asentamiento de una zapata central (Modelo  II) con una magnitud de 63mm genera mayor  vulnerabilidad en la estructura a sufrir daños  que el asentamiento de 89mm de una zapata  medianera (Modelo I) y que el de una zapata  de esquina (Modelo III) con un asentamiento  de 84mm.  

El perfil de deformación del suelo después de  ocurrido los asentamientos impuestos a la  estructura, podría influir en el asentamiento  diferencial máximo que puede tolerar la  misma. El asentamiento cóncavo (∪ hacia  abajo) del suelo por el descenso de un grupo  de zapatas centrales (Modelo V, δmáx=95  mm) fue aproximadamente tres veces mayor  que la deformación convexa del suelo (∩ hacia  arriba) por el asentamiento de un grupo de  zapatas de borde (Modelo IV, δmáx=27 mm)  en los mismos rangos de probabilidad de  daño. 

La analogía utilizada del análisis sísmico  “Pushover” para evaluar el comportamiento de  una estructura sometida a diferentes modelos  de asentamiento diferencial, es una técnica de  gran ayuda que permite generar curvas de  fragilidad para evaluar el daño en diferentes  escalas: muy leve, leve, moderado, extenso y  completo, para obtener una visión  probabilística en varios escenarios de  amenazas, al igual que en los estudios de  riesgo sísmico pero en este caso utilizando los  asentamientos diferenciales como el factor de  amenaza. 

Las curvas de fragilidad permiten calcular el  nivel de daño que puede experimentar una  estructura debido a asentamientos  diferenciales, considerando la compresibilidad  del suelo, ubicación y magnitud del  asentamiento, tipología estructural, tipo de  fundación, características geométricas y  mecánicas de las secciones de los elementos 

estructurales, etc. lo que permite desarrollar un  enfoque más consistente de los límites de  servicio basado en la confiabilidad de  estructuras consideradas esenciales. 

El análisis de vulnerabilidad por asentamientos  diferenciales realizado a los cinco modelos  sugiere que la probabilidad de que la  estructura exceda un daño moderado, extenso  y completo es menor al 0.30, 0.19 y 0.15  respectivamente. Según estos resultados la  posibilidad de que la estructura colapse  totalmente es mínima debido a que los  esfuerzos adicionales generados en los  elementos próximos al asentamiento son  redistribuidos a las demás secciones. Sin  embargo es posible que en casos extremos  debido a las excesivas deformaciones, la  estructura quedaría fuera de uso y  representaría un problema de servicio. 

Para finalizar, este trabajo representa un  pequeño paso para obtener una metodología  que nos permita evaluar la vulnerabilidad de  estructuras aporticadas de hormigón armado  expuestos a asentamientos diferenciales,  combinando los aportes de varios  investigadores a nuestra realidad constructiva,  por lo tanto se espera que este trabajo sirva  como un punto de partida para futuras  investigaciones como ser:  

  1.  Análisis de la vulnerabilidad estructural de  columnas esbeltas por asentamientos  diferenciales, considerando la secuencia  constructiva y efectos P-delta. 
  2. Influencia del flujo plástico en la reducción  de daños en estructuras afectadas por  asentamientos diferenciales de consolidación  primaria del suelo.  
  3. Vulnerabilidad estructural debido al  desplazamiento horizontal en los apoyos de  fundación.

 5. Referencias Bibliográficas

  • Aguirre C.M. y Amaris A.D., (1997)  Análisis estructural de Zapatas  Medianeras. Tesis ingeniería Civil,  Universidad Nacional de Colombia – Seccional Medellín. 
  • Bonett, R., (2003) Vulnerabilidad y  Riesgo Sísmico de Edificios.  Aplicación a entornos Urbanos en  Zonas de amenaza Alta y Moderada.  Tesis Doctoral. Barcelona,  Universidad Politécnica de Cataluña. 
  • Burland, J.B. and Wroth, C.P., (1974)  “Settlement of Buildings and  Associated Damage” en Proceedings  of the Conference on Settlement of  Structures – Session V, Cambridge,  England, pp. 611–654. 
  • Cifuentes, D. L., (2011) Modelación de  Vulnerabilidad Física de estructuras de  uno y dos pisos, asociada a  deslizamientos. Tesis Magister,  Universidad Nacional de Colombia.  
  • De Lira G., (2016) Estudio de la  Vulnerabilidad Estructural de las  Construcciones ante Fracturamientos  por Subsidencia. Tesis de Maestría,  Universidad Autónoma de Aguas  Calientes. 
  • Echavarría W. y Hoyos F., (1995)  Efecto Tridimensional en el Análisis de  Sistemas de Cimentación Superficial  por el método de Interacción Estática  Suelo Estructura. Tesis de  Licenciatura. Colombia, Universidad  Nacional de Colombia – Seccional  Medellín. 
  • Fargier, L. B. y Fargier, L. E., (2010)  Concreto Armado, Comportamiento y  Diseño. Primera Edición. Kapi. 
  • Gallardo, G., (2014) Rigidización del  Sistema de fundación para minimizar  de la aparición de fisuras en las estructuras por asentamientos  diferenciales. Tesis de Licenciatura.  Bolivia, Universidad Autónoma Juan  Misael Saracho – Tarija. 
  • Hognestad E., (1951) “A Study of  combined bending and axial load in  reinforced concrete Members” en  University of Illinois Engineering  Experiment Station Bulletin, Número  399. 
  • Kent, D. y Park, R., (1971) “Flexural  members with confined concrete” en  Journal of the Structural Division.  Volumen 97, número STT, pp. 1969-1990 
  • Negulescu, C. y Foerster, E., (2010)  “Parametric studies and quantitative  assessment of the vulnerability of a RC  frame Building Exposed to differential  settlements” en Natural Hazards and  Earth System Sciences. Volumen 10,  pp 1781-1792.
  • Skempton, A.W. y MacDonald, D.H.,  (1956) ”The Allowable Settlement of  Buildings” en ICE Proceedings:  Engineering Division Civil. Volumen 5,  número 6, pp. 727–768. 
  • Son M. y Cording E.J., (2011)  “Responses of Buildings with Different  Structural Types to Excavation Induced Ground Settlements” en  Journal of Geotechnical and  Geoenvironmental Engineering.  Volumen 137, número 4, pp 323-333. 
  • Zeevaert, L., (1975) Interacción Suelo  Estructura de Cimentaciones Autónoma de Aguas  Calientes. 

AUTOR: Ing. Gabriela Edith Gallardo López

RNI: 30683

Lunes, 05 Julio 2021 00:00

EL AUTO NUESTRO DE CADA DÍA

Un análisis al estado de los vehículos y su relación con los accidentes en nuestro país.

En los últimos días hemos podido ser testigos de muchos accidentes, con el común denominador “las fallas mecánicas”. El sistema de frenos el gran inculpado por la sociedad, en la mayoría de estos hechos, pero si escarbamos un poco más, a quien responsabilizamos de estos terribles sucesos, ¿A la suerte? ¿Al vehículo? Una pregunta que todos los ciudadanos nos hacemos.

Para dar respuesta a estas incógnitas es importante basarnos en 3 simples lineamientos.

El primero “la normativa”, el código de transito es la norma principal que regula a los motorizados en nuestro país, el cual se encuentra a cargo del organismo de tránsito, dicha norma data de hace más de 45 años la cual queda totalmente obsoleta a los requerimientos actuales. En la misma se estipula, que con el objetivo de garantizar el buen funcionamiento de los vehículos, deben ser sometidos a una inspección técnica, pero ¿esta será eficiente? Sin ir muy lejos en los países fronterizos la I.T.V. se realiza en talleres especializados donde los vehículos son sometidos a distintas pruebas para garantizar su perfecto funcionamiento, además dichas inspecciones son permanentes, asignando una fecha al año a cada dueño de motorizado, todo lo contrario, ocurre en nuestro país, ya que la inspección visual que se realiza, es tan superficial que no permite detectar falencias mayores, menos aún el fallo en los sistemas de los vehículos, ya sea dirección, frenos y etc.

En muchas ocasiones pude apreciar que los vehículos públicos no son sometidos a esta inspección, ya que al contar con un sindicato se les extiende el comprobante sin verificar ninguno de los requisitos. Es muy común ver en nuestro país vehículos que no cuentan con elementos clave, como espejos retrovisores o faroles, pero si cuentan con el certificado de inspección vigente. Lo mismo ocurre en las carreteras los vehículos particulares son inspeccionados en cuestión de equipo de viaje (botiquín, triángulos etc.) en las diferentes trancas, lo que no sucede con los vehículos públicos, que circulan por estas sin cumplir con dichos requerimientos.

La segunda causal en la que nos enfocaremos es “el dueño del motorizado”, lastimosamente en nuestro país la idiosincrasia de muchos conductores, hace que mantengan en pésimas condiciones sus vehículos. A diferencia de lo que ocurre en otros países, los bolivianos somos muy apáticos a realizar mantenimientos preventivos a nuestros vehículos, no se mide la importancia que tiene el mantener en buen estado estas unidades.

A todo esto sumaremos el tercer lineamiento “las autoridades”, la poca importancia que le dan estas, a que el parque automotor se renueve, es también un factor clave. Sin ir muy lejos, países vecinos como Perú y Argentina, ofrecen facilidades a sus ciudadanos para que estos renueven sus motorizados, descuentos en pago de impuestos, intereses bajos en créditos vehiculares entre otros. En nuestro país la situación es inversamente proporcional, los vehículos de data reciente, deben pagar sumas descomunales en razón de impuestos, a diferencia de los vehículos de data pasada.

Según un estudio del Centro de Prevención de Accidentes (CEPA), los vehículos de data antigua son más propensos a sufrir accidentes por fallas mecánicas, deplorablemente según datos del INE, en nuestro país el mayor porcentaje del parque automotor corresponde a vehículos fabricados entre el año 1995 al 2000, estos con una data de 20 a 25 años de antigüedad, este dato apuntala a que la mayor porción del parque automotor del país se encuentre obsoleto.

Con el transcurrir de los años nuevas tecnologías, como el control de tracción, frenos anti bloqueo, bolsas de aire y etc., son incorporadas en los vehículos, estos son requisitos obligatorios que tienen distintos países para que los vehículos sean comercializados en su territorio. Nuestro país no tiene ninguno de estos requerimientos técnicos, para la importación y comercialización de vehículos en Bolivia.

Todos estos factores suman y aportan a elevar el creciente número de accidentes de tránsito en el País, es primordial hacer un cambio rotundo y adecuarnos a normas internacionales, debemos dejar de ver estos, como simples números fríos y pensar las vidas que se pierden al año por consecuencia de los accidentes de transito.

Ms.Sc. Ing. Herberth Juan Zambrana Lira

RNI: 33777

Domingo, 27 Junio 2021 00:00

Expansión de una red inalámbrica IEEE-802.11 proyecto Camacho.net (IEEE-Bolivia)

Abstracto—El estándar IEEE-802.11, tiene como principal propósito ayudar a la implementación de redes inalámbricas de área local, con enlaces de metros hasta kilómetros de distancia, con altas tasas de capacidad de transmisión, en bandas libres.

El programa HTC (Humanitarian technology challenges) del IEEE, apoyo un proyecto en Bolivia para la implementación de una red inalámbrica de larga distancia que ayude a interconectar centros de salud de la Provincia Camacho.

Ahora el proyecto está en una segunda fase donde se realizara la expansión de la Red ya existente, por lo cual es necesario hacer un diseño a nivel de Radiofrecuencia considerando los nuevos puntos a interconectar.

Índice de términos—WiFi, IEEE-802.11, radioenlaces, Provincia Camacho, ISM,

 I. NOMENCLATURA

Si es necesario, una lista de nomenclatura debería preceder a la introducción.

II. INTRODUCCIÓN

En la Provincia Camacho del departamento de La Paz, aun el acceso a infraestructuras de telecomunicaciones móviles es deficiente puesto que solo se tiene un operador en varios pueblos de la zona, considerando que la zona vive particularmente de la agricultura, el bajo poder adquisitivo, la bajo cantidad de pobladores en los municipios de la provincia y la dificultad que resulta la implementación de radio bases debido a la topografía, etc.

Debido a esto el HTC-IEEE en el año 2012 hace un estudio de factibilidad de varias tecnologías como VSAT, WIMAX, entre otros, pero se decide implantar el proyecto utilizando la tecnología IEEE-802.11, interconectando en algunos centros de salud, postas de salud y la gerencia de Red N 3, con el acceso y el intercambio de voz, video y datos.

Para la expansión de la red se pretende presentar un diseño de la red con la estándar IEEE-802.11n, para mejorar las capacidades de transmisión, y ampliar los servicios ofrecidos antenteriormente.

ESTÁNDAR IEEE

La familia IEEE 802.11 constituye una serie de especificaciones para la tecnología de redes inalámbricas (WLAN). Estas especificaciones están orientadas a nivel de la capa física y la subcapa MAC del modelo OSI, para adaptarlas a los requerimientos especiales de las WLAN pero ofreciendo la misma interfaz para capas superiores, manteniendo así la interoperabilidad.

La primera versión del estándar 802.11 fue aprobado en 1997 por la IEEE tras varios años de desarrollo y en la que se definían 3 opciones para la capa física (PHY): infrarrojo, FHSS y DSSS, soportando tasas de datos de 1 y 2 Mbps en la banda de 2,4 GHz. [1]

CAPA FISICA

El nivel físico es el encargado de conectar la capa MAC con el medio físico (en este caso inalámbrico) por donde se transmiten las señales. Sus principales funciones son:

1.Dar información a la capa MAC sobre la ocupación del medio, es decir, si hay alguna señal en la misma frecuencia en la que queremos transmitir.

2.Transmitir las tramas al medio utilizando las distintas opciones de modulación.

3.Intercambiar las tramas con la capa MAC

CAPA ENLACE

En el nivel de capa de enlace se trabaja en dos sub capas, las cuales son:

1. La subcapa MAC (Media Access Control), donde se especifica el protocolo de acceso al medio propiamente dicho, así como una serie de peculiaridades propias de redes inalámbricas como son el envío de acuses de recibo (ACK), la posibilidad de realizar fragmentación de las tramas y los mecanismos de encriptación para dar confidencialidad a los datos transmitidos.

2. La subcapa LLC (Logical Link Control), que ofrece un servicio de transporte único para todas las tecnologías [2]

IEEE-802.11 A

El estándar IEEE 802.11a también fue aprobado en el año 1999, aunque los productos de esta tecnología salieron más tarde que los del 802.11b, debido a que su realización fue más complicada.

Está basada en OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing), tecnología que explicaremos con mayor detalle en siguientes capítulos, ya que es utilizada también en la capa física del estándar 802.11n.

La tecnología permite conseguir velocidades de transmisión hasta los 54Mbps en la banda de 5Ghz. El hecho de operar en una banda diferente que el estándar 802.11b, provoca que los productos de dichas tecnologías no sean compatibles entre sí.

IEEE-802.11 B

El estándar IEEE 802.11b fue ratificado el año 1999, basándose en la técnica DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum) e introduciendo el esquema de codificación CCK (Complementary Code Keying)

La velocidad de transmisión máxima es de 11Mbps, utilizando el mismo método de acceso CSMA/CA definido en el estándar original. Trabaja en la banda ISM de 2,4 Ghz. (Chávez, 2009)

IEEE-802.11 N

El estándar 802.11n fue ratificado por la organización IEEE el 11 de septiembre de 2009, operando en las bandas de 2.4 y 5 GHz, aunque se espera que opere preferentemente en la segunda debido a que la primera está más ocupada.

Este estándar incorpora un ancho de banda de los canales de 40MHz, la tecnología MIMO, además de otras mejoras a nivel físico y MAC.

  • Las tasas de datos en 802.11n son significativamente mejores sobre las conseguidas por 802.11a y 802.11g, fundamentalmente por el uso de la multiplexación espacial (MIMO) y el uso de canales de 40 MHz.
  • También se incluyen mejoras como el protocolo de dirección inversa que proporciona una mejora de rendimiento bajo ciertos tipos tráficos y la utilización de un espacio inter-trama más pequeño (RIFS)
  • Esta mejora se consigue inherentemente mediante el incremento de la diversidad espacial dado por la utilización de múltiples antenas. Otras opciones que nos brindan robustez son el uso de la codificación STBC (Space-Time Block Coding) y un nuevo código de canal LDPC (Low Density Parity Code), entre otros más.
  • Finalmente, debido al gran crecimiento de la utilización de dispositivos móviles, se introduce una nueva técnica de acceso al canal llamado PSMP (Power-Save Multi-Poll), la cual permite soportar eficientemente un mayor número de estaciones.

MIMO

El estándar especifica la facilidad de utilizar un sistema MIMO con dos flujos espaciales en transmisión y dos en recepción (2x2), esto significa que se utilizan dos antenas con dos cadenas de transmisión y dos cadenas de recepción, ambos flujos espaciales se multiplexan a través del enlace radio; la Red de Telecomunicaciones que este trabajo expone utiliza un sistema MIMO 2x2.

Sin embargo un sistema MIMO facilita el uso de varios flujos espaciales (ver Ilustración 1: Sistema MIMO)

La ventaja de utilizar un sistema MIMO frente a un sistema SISO es que este saca provecho del multitrayecto, disminuyendo el número de bits incorrectamente recibidos (Bit Error Ratio – BER). Además, usar STBC mejora la relación señal a ruido (Signal to Noise Ratio – SNR). [3]

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III. DISEÑO DE LA RED

A nivel físico el estándar IEEE 802.11, no señala limitantes más que el presupuesto de potencia, pero consideraremos varios parámetros para tener un estudio óptimo de diseño de gabinete.

POTENCIA DE RECEPCION

En los enlaces IEEE 802.11n de largas distancias, como el que describe en este trabajo, se necesita obtener un valor de potencia de recepción que se encuentre por encima de la sensibilidad del receptor.

En la siguiente ecuación de balance de enlace se muestra la relación que tiene este valor con la potencia de transmisión, las ganancias de antenas y las pérdidas en el enlace.

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PERDIDA DE PROPAGACIÓN

Las pérdidas de propagación son difíciles de calcular de forma analítica porque dependen de muchos factores del entorno (relieve, tipo de cobertura del suelo, obstáculos, condiciones atmosféricas, etc.), pero la ‘Fórmula de Friis’ proporciona una primera aproximación aceptable cuando hay línea de vista y suficiente despegamiento de la primera zona de Fresnel.

No obstante, hay otros modelos más complejos para obtener aproximaciones mejores dependiendo del tipo de entorno y de la banda de frecuencias de trabajo.

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Esta es una expresión teórica y se empleara solo si se cumple la condición de la existencia de LoS (Line of Sight). Se necesita además despejar por lo menos en un 60% de la primera zona de Fresnel y se considera la no existencia de efectos adversos como el multitrayecto. 

ZONAS DE FRESNEL

Las zonas de Fresnel son que se forman sobre la trayectoria que ocupa el haz de microonda entre transmisor y receptor, siendo la más importante la primera zona de Fresnel. La primera zona de Fresnel es la que lleva el 50% de la energía de la señal, por lo que debe mantenerse despejada para tener un enlace estable.

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Fig. 2. Zonas de Fresnel

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ABULTAMIENTO DEBIDO A LA CURVATURA DE LA TIERRA.

Cuando se propaga una onda electromagnética en el aire se presenta una situación particular debido a dos radios de curvatura diferentes: radio de la tierra y radio de la trayectoria del haz electromagnético. Para facilitar el gráfico existen dos opciones:

  • La primera que consiste en considerar la tierra plana y el rayo electromagnético curvo.

La segunda, que consiste en disponer de un rayo recto y la tierra curva. Para efectos de los cálculos a realizarse se considerará la segunda situación en la cual el rayo electromagnético es plano. 

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Fig. 3. Abultamiento por la curvatura terrestre

En donde:

hab: Abultamiento por efecto de la curvatura de la tierra y el factor de refracción atmosférica K [m]

d1: Distancia horizontal desde el transmisor hasta el punto de análisis [km]

d2: Distancia total (d) menos d1[km]

K: Factor de refracción atmosférica

a: Radio promedio de la tierra

A continuación se presenta la geometría de un radio-enlace típico, en donde se muestran todos los parámetros y altura que intervienen en el mismo:

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Fig. 4. Geometría de un radio-enlace típico

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08888

0888

Dónde:

MD: Margen de despeje del radio de la primera zona de Fresnel

MARGEN DE DESVANECIMIENTO

Es sabido que basta con un margen de 10 a 15 dB para establecer la comunicación pero, la experiencia del grupo GTR-PUCP (Grupo de telecomunicaciones Rurales - Pontificia Universidad Católica del Perú) implementando este tipo de enlaces en diferentes zonas, ha demostrado que para contrarrestar los efectos producidos por la atenuación y el multitrayecto en la señal de radio recibida, es preferible tener un margen de 12 a 25 dB.

MD=PRX-Sb (7)

En donde:

MD: Margen de desvanecimiento

PRX : Potencia de recepción

Sb : Sensibilidad de recepción

IV. SIMULACION

Para el diseño se hará uso del Simulador Radio Mobile, en una topología estrella, con enlaces ptp (punto a punto) y ptmp (punto a multipunto) Considerando las ecuaciones de la parte de diseño de red de este paper.

A. Enlace Cerro Janta_Hospital de Escoma

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Fig. 5. Perfil de enlace Cerro Janta-Hospital de Escoma

TABLA I

PERFIL DE ENLACE CERRO JANTA-HOSPITAL DE ESCOMA

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B. Enlace Cerro Janta_Posta de salud Challapata

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Fig. 6. Perfil de enlace Cerro Janta-Posta de Salud de Challapata

TABLA II

PERFIL DE ENLACE CERRO JANTA-POSTA DE SALUD DE CHALLAPATA

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C. Enlace Cerro Janta_Centro de salud de Humanata

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Fig. 7. Perfil de enlace Cerro Janta-Centro de Salud de Humanata

TABLA III

PERFIL DE ENLACE CERRO JANTA-CENTRO DE SALUD HUMANATA

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D. Enlace Cerro Janta_Centro de salud de Pacolla

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Fig. 8. Perfil de enlace Cerro Janta-Centro de Salud de Pacolla

TABLA IV

PERFIL DE ENLACE CERRO JANTA-CENTRO DE SALUD PACOLLA

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E. Enlace Cerro Janta_Cerro Puerto

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Fig. 9. Perfil de enlace Cerro Janta-Cerro Puerto

TABLA V

PERFIL DE ENLACE CERRO JANTA-CERRO PUERTO

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F. Enlace Cerro Puerto_Centro de salud Puerto Acosta

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Fig. 10. Perfil de enlace Cerro Puerto-Centro de Salud de Puerto Acosta

TABLA VI

PERFIL DE ENLACE CERRO PUERTO-CENTRO DE SALUD DE PUERTO ACOSTA

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Enlace Cerro Calvario_Posta Challapata

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Fig. 11. Perfil de enlace Cerro Calvario-Posta de Salud de Challapata

TABLA VII

PERFIL DE ENLACE CERRO CALVARIO-POSTA DE SALUD DE CHALLAPATA

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G. Enlace Cerro Calvario_Gerencia de Red de Salud

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Fig. 12. Perfil de enlace Cerro Calvario-Gerencia de red

TABLA VIII

PERFIL DE ENLACE CERRO CALVARIO-GERENCIA DE RED

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Cada enlace ptp y ptmp, se tuvo cuidado en obtener un margen de desvanecimiento aceptable y así conseguir niveles de sensibilidad de recepción apto para un radioenlace que cumpla las expectativas de capacidad de tráfico en IEEE-802.11n.

El valor recomendado de margen de desvanecimiento de 12 dB como mínimo, en la tablas de cada radioenlace el margen de desvanecimiento utilizando la ecuación (7), se verifica que es mucho mayor teniendo como un valor mínimo en un punto 16.1dB , lo cual nos ayuda a seleccionar el MSC (Modulation and coding scheme) a utilizarse en los diferentes enlaces y que como mínimo tenemos al MSC12 con un Data rate de 78 Mbps, lo cual es suficiente como para cumplir nuestros requerimientos y además se observa que la mayoría está entre el MSC12 y MSC15.

También se toma en cuenta la diferencia que se hace entre la altura de la torre y la altura a la cual estará ubicada la antena, en especial en los puntos donde tendremos varios radioenlaces.

En los perfiles de los enlaces se puede verificar que se tiene buenos resultados para el funcionamiento de la nuestra red, garantizando que se tiene asegurado el 60% de la primera zona de Fresnel despejada, el margen de potencia recibida puede variar en función de la altura de la antena, y con más razón en una torre donde existen varias antenas y no siempre se puede ubicar cada una de ellas a la altura teóricamente ideal para su radioenlace. Ello es debido a que el origen de la primera zona de Fresnel son todas aquellas señales (la principal más las originadas por difracción), que mantienen su fase entre 0 y π/2.

Por lo tanto, pequeñas variaciones en la altura de la antena pueden cambiar substancialmente las difracciones internas que se originan a lo largo del radioenlace, y en consecuencia empeorar o mejorar el margen de la potencia recibida, y podemos ver que el valor del Margen de despeje es siempre mayor a 100% del primer radio de Fresnel esto por no tener dificultades al momento una implementación.

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Fig. 13. Perfil de radio enlaces completo (Simulación en Radio Mobile)

V. CONCLUSIONES

En el presente trabajo se ha mostrado el proceso de diseño de una red basada en tecnología WiFi aplicada en este caso a un entorno rural de una zona en desarrollo con enlaces de larga distancia. De esta manera acortar la brecha digital en el área rural en comparación con el área urbana,

Cabe resaltar que el IEEE HTC, tiene una red desplegada en cuatros puntos:

Posta de Salud Challapata

Centro de Salud Chaguaya

Centro de Salud Carabuco

Gerencia de Red de Salud

El aprovechamiento de estos servicios fue de gran impacto en estos centros de salud, para apoyo en consultas, coordinación dentro el sector, etc.

Ahora con el presente trabajo se pretende ofrecer un diseño para expandir esta red a los cuatro municipios de la provincia Camacho, cumpliendo con los requisitos solicitados por el IEEE.

VI. RECONOCIMIENTO

El presente paper conto con el apoyo del IEEE-sección Bolivia, quien otorgo la información acerca de la red actual y su deseo de expansión del mismo.

VII. REFERENCIAS

[1] Carlos Navarrete Chavez, "Evaluación de la tecnología IEEE 802.11n con la plataforma OPNET". Barcelona, España: Universidad Politécnica de Catalunya, mayo 2007

[2] Marc Baños Aixala, “Diseño e implementación de una red inalámbrica IEEE802.11b para aplicaciones de voz videos y datos en la cuenta de rio Napo-Perú” Barcelona, España: Universidad Politécnica de Catalunya, junio 2007

[3] Carlos David Guerra Anicama, “Diseño e implementación de una red inalámbrica IEEE 802.11n de Telemedicina en el distrito de Balsapuerto con soporte de QoS para teleconsultas”, Madrid, España, 2012

[4] Andrez Marcelo Garrillo, Daniel Leonardo Cervallo. “Diseño de una red inalámbrica para dar servicio a 46 establecimientos educativos cantón Pimampiro en la provincia de Imbaburo”, Ecuador, Enero de 2011.

[5] Telecommunication Development Bureau (1999). Telemedicine and developing countries - lessons learned.

[6] Elias Choque Maydana, “Diseño de una red IEEE802.11n, para servicios de voz, video y datos, para la provincia Camacho”, Universidad Mayor de San Andrés, La Paz-Bolivia (2015)

[7] Andrés Martínez, “Evaluación de Impacto del Uso de tecnologías Apropiadas de Comunicación para el Personal Sanitario Rural de Países en Desarrollo”. Universidad Politécnica de Madrid. (2003).

[8] Ricardo Oña Martínez-Albelda. “Evaluación del Impacto en

[9] Salud del Proyecto de Telemedicina EHAS-Napo”, Escuela Técnica superior de ingenieros de telecomunicaciones, Perú (2006)

[10] Juan Manuel Castillo Orihuela, “Diseño de una red inalámbrica de banda ancha para un entorno rural”, Málaga, España. (2008)

[11] Bolaños Caluña Emilio Ivan, “Diseño de la red inalámbrica de área local para los edificios la Tribuna y Villafuerte de petroprocuccion bajo estándar IEEE802.11g y su interconectividad”, Ecuador 2008

[12] Patricia Ludeña. “Estudio de aplicabilidad del estándar 802.11n para redes de larga distancia para entornos rurales en América Latina”. Universidad Rey Juan Carlos, Madrid, (2011)

[13] .Javier Simo. “Modelado y optimización de IEEE 802.11 para su aplicación en el despliegue de redes extensas en zonas rurales aisladas de países en desarrollo”. Universidad Politécnica de Madrid, Madrid, Ene 2007.

[14] Oscar Santos Hermosa. “Diseño e implementación de una red inalámbrica IEEE 802.11n. Línea de base enfocada a un sistema de videoconferencia para realizar teleconsultas entre centros de salud de comunidades aisladas de la Amazonía peruana". Pontifica Universidad Católica del Perú, de Lima-Perú, 2011

[15] César Viloria Núñez, Jairo Cardona Peña, Carlos Lozano Garzón*, “Análisis comparativo de tecnologías inalámbricas para una solución de servicios de telemedicina” Ingeniería & Desarrollo”. Universidad del Norte., Colombia, 2009

[16] Plan Nacional de Frecuencia, Estado Plurinacional de Bolivia, 2011.

[17] Andrez Marcelo Garrillo y Daniel Leonardo Cervallo.” Diseño de una red inalámbrica para dar servicio a 46 establecimientos educativos cantón Pimampiro en la provincia de Imbaburo, Proyecto de fin de carrera Ingeniería Electrónica y Telecomunicaciones”. Escuela Politécnica Nacional, Ecuador, Enero de 2011.

[18] GTR. “Diseño de red PROYECTO WILLAY CUZCO y EHAS-ALIS, desarrollado por Grupo de telecomunicaciones rurales de la PUCP”, Lima Perú.

Publicaciones periódicas:

[19] Andrés Martínez, “Comunicaciones para salud en países en desarrollo: ¿lujo o necesidad? Cuaderno Internacional de Tecnología para el Desarrollo Humano”,2004

Libros:

[20] Grupo de Telecomunicaciones Rurales Pontificia Universidad Católica del Perú, “REDES INALÁMBRICAS PARA ZONAS RURALES”, Segunda Edición-2011. Perú.

[21] REID Neil, SEIDE Ron, 802.11 (Wi-Fi) Manual de Redes Inalámbricas, McGraw-Hill Interamericana, S.A. de C.V. México D.F., 2003. O. Young, "Synthetic structure of industrial plastics," en Plastics, 2a ed., vol. 3, J. Peters, Ed. New York: McGraw-Hill, 1964, pp. 15-64.

Reportes técnicos:

[22] Á. Rendón, A. Martínez, M. F. Dulcey, J. Seoane, R. G. Shoemaker, V. Villarroel, D. López, J. Simó. “Rural Telemedicine Infrastructure and Services in the Department of Cauca, Colombia”. Telemedicine and e-Health, vol. 11, no. 4, pp. 451-459, Aug. 2005

[23] Javier Simó, Andrés Martinez, Javier Ramos, Joaquín Seoane. “Modeling and optimizing IEEE 802.11 DCF for long-distances links”. IEEE Transactions on Mobile Computing. 2010

Disertaciones:

[24] J. Hurtado, D. Lozano, G. Méndez. “Diseño y simulación de una red inalámbrica en malla para el transporte de voz en un entorno rural.” Congreso Colombiano de Comunicaciones COLCOM. Popayán, Colombia, 2007

Autor: Ing. Elias B. Choque Maydana
RNI:35979

Maestrante en Telemática Telecomunicaciones, Universidad Católica Boliviana

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