facultad de ingenieria civil - Facultad de Ingeniería Civil

CIENCIA FIC
REVISTA DE DIVULGACIÓN CIENTÍFICA Y TECNOLÓGICA
FACULTAD DE I NG E N I E R I A C I V I L
Universidad Autónoma de Nuevo León
No. 1 Cuatrimestral
Enero - Abril 2007
Consejo Editorial
CIENCIA FIC
REVISTA DE DIVULGACIÓN CIENTÍFICA Y TECNOLÓGICA
FA C U LTA D DE I NG E N I E R I A C I V I L
Universidad Autónoma de Nuevo León
No. 1 Cuatrimestral
Enero - Abril 2007
Ing. José Antonio González Treviño
Rector
Dr. Jesús Áncer Rodríguez
Secretario General
Dr. UbaIdo Ortiz Méndez
Secretario Académico
Ing. Oscar J. Moreira Flores
Director de la Facultad de Ingeniería Civil
Dr. Guillermo Villarreal Garza
Subdirector de la Facultad de Ingeniería Civil
Ing. Justino César González Álvarez M. en I.
Subdirector de Estudios de Posgrado, FIC
Ing. Ma. Inés Fuentes Rodríguez
Secretaria Académica de la Facultad de Ingeniería Civil
Dr. Rafael Gallegos López
Coordinador General del Instituto de Ingeniería Civil “RRV”
Dr. Pedro Leobardo Valdez Tamez
Coordinador de Investigación, FIC
Dr. Pedro Leobardo Valdez Tamez
Dr. Gerardo Fajardo San Miguel
Editores
Portada: Ben Frankin Bridge, Philadelphia
Diseño: Armando Landois
Formato: José Alejandro Herrera González
El contenido de los artículos firmados es únicamente responsabilidad del autor(es) y no de los editores.
El material impreso puede reproducirse mientras sea sin fines de lucro y citando la fuente.
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No.1
Enero - Abril 2007
Contenido
Editorial
4
El rol de las puzolanas naturales en el mejoramiento de la
durabilidad del concreto reforzado.
5
Puentes curvos de trabes de acero y losa de concreto:
Sus dilemas de diseño y construcción.
19
Effect of overexploitation of the aquifer of the Hundido Valley
and the impact on the ecological reserve of the Cuatro
Cienegas Valley of Coahuila, Mexico.
32
Concreto para uso estructural, económico, durable y
sustentable con alto contenido de ceniza volante.
39
Hacia un sistema automático de aforo vehicular basado en secuencias de video y redes neuronales artificiales.
53
Método para diseñar el pórtico de entrada de puentes
peatonales metálicos utilizando frecuencias naturales.
62
J. Pacheco, G. Fajardo, P. Valdez, A. Badillo
Ricardo González Alcorta, Guillermo Villarreal Garza,
Salvador R. Marines Delgado
6
Rodríguez M. J. M., Souza S. V., Arriaga Díaz de León L. E
Alejandro Durán Herrera, Jorge Maurilio Rivera Torres
23
Mauro Maldonado Chan, Dr. Rafael Gallegos López,
M.C. Federico López Vázquez, Ing. Juan Antonio Sandoval Cortina,
Dr. Mauricio Cabrera Ríos
Dr. Guillermo Villarreal Garza, Dr. Ricardo González Alcorta
65
Uso de materiales cerámicos en procesos fotoinducidos para
descontaminar aguas residuales de la industria química.
71
Participación de la mujer en un sistema sustentable de
autoconstrucción asistida.
80
Noticias
91
Información para autores
93
Torres Guerra Leticia M., Garza Tovar Lorena L.,
Cruz López Arquímedes, Juárez Ramírez Isaías
Bianca C. Guevara Moreno, César A. Juárez Alvarado,
Pedro L. Valdez Tamez, Jorge L. Acevedo Dávila
89
CIENCIA FIC es una revista cuatrimestral, de difusión científica y tecnológica de la Facultad de Ingeniería Civil,
sin fines de lucro, editada por la Coordinación de Investigación.
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No.1
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Editorial
Editorial
En gran medida los avances científicos y tecnológicos están encaminados no sólo a la generación de nuevos
productos sino al establecimiento de procesos que garanticen un desarrollo sustentable, los cuales involucran
sin lugar a dudas, a todas las áreas del conocimiento. La ingeniería civil no es la excepción, debe cumplir la
función esencial de fomentar la producción de nuevos materiales además de desarrollar esquemas tecnológicamente adecuados que aseguren la mejor utilización de los recursos naturales y de los procesos que satisfagan
las necesidades de una comunidad cambiante y demandante. El suministro, control y tratamiento de aguas, la
exigencia en propiedades y funciones que los nuevos materiales de construcción deben de cumplir, la vialidad
y urbanización, los diseños optimizados de las estructuras, etc.; son sólo algunos ejemplos. Así mismo, dentro
de este contexto de exigencias, es de suma importancia que se propicie la plataforma educativa para que los
futuros profesionales de estas áreas, cuenten con las competencias profesionales y actitudinales que demanda
el mercado laboral tanto nacional como internacional.
Con este propósito, la Facultad de Ingeniería Civil de la Universidad Autónoma de Nuevo León, ha establecido en su plan de desarrollo 2012, incidir decididamente en el fomento de la investigación científica y tecnológica en las diferentes áreas de conocimiento de la ingeniería civil. Como una de sus estrategias pretende
mejorar la difusión de los avances, que en este rubro, se realizan en su Instituto de Ingeniería Civil (IIC). Por
tal razón, la revista CIENCIA FIC, es uno de los instrumentos coyunturales cuyo principal objetivo es enterar
a la comunidad de las investigaciones que se desarrollan en los diferentes Departamentos del IIC.
El primer número de la revista CIENCIA FIC cuenta con un total de ocho artículos científicos, de los cuales se resalta la participación de las áreas de Tecnología del Concreto, Estructuras, Geohidrología, Ingeniería
Ambiental e Ingeniería de Tránsito y Transporte.
Esperamos que los contenidos de la revista CIENCIA FIC, contribuyan a mejorar la innovación, el pensamiento creativo, el desarrollo de nuevas tecnologías de los jóvenes estudiantes y profesores de la comunidad
y aquellos que desarrollan actividades relacionadas con la ingeniería civil.
Dr. Pedro Leobardo Valdez Tamez
Dr. Gerardo Fajardo San Miguel
CIENCIA FIC
No.1
Enero - Abril 2007
J. Pacheco, G. Fajardo, P. Valdez, A. Badillo
El rol de las puzolanas naturales en el
mejoramiento de la durabilidad
del concreto reforzado
J. Pacheco2, G. Fajardo1, P. Valdez1, A. Badillo2
RESUMEN
La durabilidad de las estructuras de concreto es afectada por la corrosión del acero de refuerzo, siendo el principal problema que preocupa
seriamente al sector de la construcción en todo el mundo. Para prolongar dicha durabilidad, se ha propuesto la utilización de materiales cementantes complementarios. Aunado a ello, se ha visto que la utilización de estos materiales reduce los costos de producción del concreto y
pueden controlar la emisión de gases que provocan el efecto invernadero. En México existen zonas volcánicas de las cuales se pueden obtener
estos materiales. En este trabajo, se analizó la utilización de una puzolana natural mexicana como reemplazo del cemento pórtland ordinario en
dosificaciones de 0, 10 y 20%. Se fabricaron cilindros de mortero con un acero embebido en el centro de los mismos. Los especímenes fueron
expuestos a ciclos de inmersión en una solución de 35 g/L de NaCl y secado a 40 °C, para acelerar el proceso de penetración de los cloruros. Se
determinó la resistencia a la compresión, el potencial de corrosión del acero, la resistividad eléctrica del mortero, la concentración de cloruros y
la resistencia a la polarización con el objetivo de caracterizar física, mecánica, eléctrica y electroquímicamente a los especímenes de mortero. La
utilización de puzolana natural incrementa la resistividad eléctrica del mortero y la iniciación del proceso de corrosión, disminuyendo consecuentemente la velocidad de degradación por corrosión del acero de refuerzo.
Palabras clave: cloruros; corrosión; durabilidad; puzolanas naturales
1. Introducción
El concreto es el material de construcción más utilizado en el mundo. En principio, la durabilidad de estas
estructuras es asegurada por la protección, tanto química como física, que el concreto le confiere al acero
contra la corrosión. Varios trabajos [1 – 5] han puesto en evidencia como las reacciones de hidratación del
cemento producen una solución intersticial con un pH elevado (~13) que genera las condiciones óptimas
para la estabilidad casi permanente del acero embebido en concreto. También funciona como una capa física
protectora impidiendo o retardando el ingreso de agentes agresivos que pueden despasivar el acero e iniciar
su corrosión. Sin embargo, como el concreto es un material poroso, este solamente aísla al acero de las sustancias agresivas del medio exterior que de una manera imperfecta. Esta barrera física depende mucho de la
calidad del concreto y de los cuidados que este haya recibido (compactado, acabado y curado) durante su
puesta en servicio.
La principal causa de deterioro que compromete la durabilidad de las estructuras de concreto es el causado
por la exposición a los cloruros provenientes de sales de deshielo o de un ambiente marino [6] (ver Figura 1).
Cualquiera que sea el origen, los cloruros penetran en el concreto por transporte de agua que los contiene, así
como por difusión y por absorción. El ingreso prolongado y repetido, con el tiempo, puede dar por resultado
una alta concentración de cloruros en la superficie del acero de refuerzo. Los cloruros pueden estar incorporaDepartamento de Tecnología del Concreto de la Facultad de Ingeniería Civil de la UANL. [email protected]
Estudiante de la Facultad de Ingeniería Civil de la UANL.
1
2
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El rol de las puzolanas naturales en el mejoramiento de la durabilidad del concreto reforzado
dos en los productos de hidratación del cemento (químicamente adheridos), absorbidos en la superficie de los
poros de gel (físicamente adheridos), o bien disponibles para la reacción agresiva del acero (libres). Sin embargo la distribución de los iones entre las tres formas no es permanente, ya que hay una situación de equilibrio
tal que algunos de los iones cloruro libres están siempre presentes en el agua de los poros. Por consiguiente,
solo los cloruros que exceden los necesarios para este equilibrio pueden llegar a adherirse [7].
Figura 1. Algunos ejemplos de deterioro por corrosión del acero de refuerzo de las estructuras de concreto.
Los daños ocasionados por la corrosión generada por los cloruros, tan solo en Estados Unidos, producen
cuantiosas pérdidas económicas anuales, tales que pueden superar los $276 billones de dólares [8]. Debido
a esto, la necesidad siempre creciente de prolongar la durabilidad de las estructuras de concreto reforzado
reduciendo los costos de producción a conducido a la utilización de formulaciones de concreto empleando
materiales cementantes suplementarios en diferentes porcentajes de sustitución del cemento. Por efecto de su
morfología, composición química, mineralógica y tamaño de las partículas, algunos materiales presentan actividad puzolánica significativa [9]; i.e. las partículas reaccionan con el hidróxido de calcio en presencia de agua
para producir un material con características cementantes [9, 10]. Estos materiales se pueden utilizar como
adición o sustitución parcial del cemento pórtland en función de las propiedades y de los efectos esperados
en el concreto.
Es así que la utilización de materiales con características puzolánicas y en particular las cenizas volantes
se ha convertido en una práctica común en estos últimos años. Las cenizas volantes son un subproducto de
la combustión de carbón pulverizado en plantas generadoras de electricidad y es el más utilizado en Estados
Unidos [11]. Algunos estudios se han enfocado sobre el rol de la ceniza volante en el mecanismo de corrosión
del acero de refuerzo inducido por los cloruros [12-15]. Se ha visto que conduce a un incremento en la resistividad eléctrica de las matrices cementantes que la incluyen [12-14], y consecuentemente a una disminución
en los coeficientes de difusión de los cloruros a través del concreto, por otro contribuye a un incremento en
la capacidad de retención de los cloruros debido al aporte adicional de aluminatos [15].
Sin embargo, estas cenizas si bien son menos costosas que el cemento, y su empleo reduce en cierta forma los costos finales, no dejan de ser un material artificial, que presenta un costo relativo a su consecuente
recolección, tratamiento y caracterización. Además de incluirse cenizas volantes, humo de sílice y escoria
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J. Pacheco, G. Fajardo, P. Valdez, A. Badillo
de alto horno en el concreto con el fin de disminuir la corrosión, se ha analizado la utilización de puzolanas
naturales, las cuales poseen características puzolánicas similares. La experiencia con puzolanas naturales data
de principios del siglo XX. En ese entonces fueron utilizadas en la construcción de presas para controlar el
incremento de temperatura. También se usaron para mejorar la resistencia al ataque de sulfato y está entre los
primeros materiales en controlar, comprobadamente, la reacción álcali agregado [11].
El efecto de las puzolanas sobre el mecanismo de corrosión, es un tópico que ha sido muy poco analizado
[16-17]. Se puede citar como relevante el efectuado por Kouloumbi et al. [16]. Ellos determinaron la eficiencia de puzolanas naturales griegas en la corrosión de concreto reforzado. Utilizaron una puzolana natural
griega de Santorin y un cemento Pórtland ordinario. Se fabricaron especímenes cilíndricos de mortero con
barras de acero de 5 mm de diámetro. Posterior al curado los especímenes fueron sumergidos en una solución
de 3.5% de NaCl por cinco meses. Encontraron una reducción del 40% en la pérdida de masa de las barras
de acero a cinco meses a 5 meses de exposición. El uso de la puzolana natural fue clave para estos resultados,
pues aporta prácticamente los mismos resultados que la ceniza volante. No obstante, en otro trabajo [17] se
ha encontrado que la actividad puzolánica no siempre tiende a mejorar las propiedades de un concreto, ya que
depende de la composición química y mineralógica de la puzolana utilizada.
México cuenta con zonas volcánicas importantes en las cuales se pueden obtener estos materiales puzolánicos (o puzolanas naturales) que presentan características mineralógicas similares a las puzolanas artificiales
(cenizas volantes, escoria, humo de sílice).
Por otro lado, existe un claro consenso en que el desarrollo sustentable de las industrias de cemento y concreto puede lograrse con la sustitución parcial de un porcentaje de cemento con materiales con características
puzolánicas. En la industria del concreto, la ceniza volante se ha utilizado con éxito, ya que reduce el costo
de producción por metro cúbico de este material. Es así, que la utilización de estos materiales además de un
mejoramiento en las propiedades del concreto en estado fresco [9, 10] y endurecido [12-20], resulta en un
beneficio económico.
El propósito de esta investigación es analizar el efecto de la utilización de un tipo de puzolana natural
mexicana en un mortero reforzado sometido a un proceso acelerado de corrosión. Diferentes pruebas de
laboratorio fueron aplicadas en muestras de mortero con diferentes cantidades de puzolana. Medidas del
potencial de electrodo del acero, resistencia de polarización y resistividad del mortero fueron obtenidas para
evaluar el proceso de corrosión. De igual forma, se obtuvo la resistencia a la compresión y el contenido de
cloruro del mortero.
2. Desarrollo Experimental
2.1 Materiales
En las formulaciones de los morteros se utilizó un cemento pórtland CPO40R, un cemento pórtland
compuesto comercial CPC30R, (que cumplen con la norma NMX-C-414-ONNCCE) y una puzolana natural
(PN) mexicana. La puzolana natural es del tipo andesita y fue utilizada en sustitución parcial del CPO en pro-
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El rol de las puzolanas naturales en el mejoramiento de la durabilidad del concreto reforzado
porciones de 0, 10 y 20%. La puzolana tiene una textura piroclástica con matriz criptocristalina con vidrio de
composición ácida. Tiene fragmentos de feldespatos e hidróxido de hierro [21]. De acuerdo con la norma, el
CPC se compone de clinker, yeso y de dos o más adiciones. Las composiciones químicas de estos materiales
son presentadas en la Tabla 1. Para todos los casos se utilizó una relación A/cm1 de 0.65 y una consistencia
de 50 mm de minirevenimiento. Se utilizó agregado fino calizo cuyo tamaño máximo nominal de partícula fue
de 4.8 mm. En total se diseñaron tres composiciones de mortero las cuales se muestran en la Tabla 2.
Tabla 1. Composición química de los cementos y puzolana utilizados.
%
SiO2
Al2O3
Fe2O3
CaO
MgO
SO3
Na2O
K2O
TiO2
P2O5
Mn2O3
Pl
CPO
18.88
4.35
1.86
64.46
1.24
3.35
0.31
0.60
0.20
0.11
0.04
2.6
CPC
17.6
4.70
1.77
64.74
1.23
3.26
0.37
0.80
0.19
0.13
0.02
4.6
PN
59.48
17.03
4.70
4.70
1.85
0.00
1.64
1.11
0.67
0.03
0.09
7.7
Tabla 2. Dosificación de las composiciones utilizadas.
MORTERO
A/Cm
Cemento, kg/m3
Arena/Cm
Puzolana, %
CPO
0.65
401
4:1
0
CPC
0.65
401
4:1
0
CPO10P
0.65
372
4:1
10
CPO20P
0.65
321
4:1
20
2.2 Fabricación de probetas
Con las composiciones de mortero se fabricaron probetas cilíndricas de 50 mm de diámetro y 130 mm
de altura con una varilla de acero colocada en el centro de las mismas. El acero tiene un diámetro de 9.5
mm y una longitud de 170 mm. Antes de su colocación se procedió a una preparación de la superficie de las
varillas, la cual se presenta en la Figura 2a. En la Figura 2b se muestra una representación esquemática de la
configuración de las probetas.
Conductor Eléctrico
Mortero
Acero
(a)
(b)
Figura 2. Preparación del acero embebido en el concreto, a) fijación del conductor eléctrico, aplicación de pintura anticorrosiva, aislamiento eléctrico y
delimitación del área de estudio. b) Representación esquemática de la probeta de mortero. Acotaciones en mm.
Cm = total del material cementante utilizado, i.e. cemento + puzolana.
1
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J. Pacheco, G. Fajardo, P. Valdez, A. Badillo
Para las pruebas de resistencia a la compresión, se fabricaron cilindros de cada composición con dimensiones de 100 mm de diámetro y 200 mm de altura. Todos los colados fueron realizados de acuerdo a la norma
ASTM C 192/C92m-06.
Las probetas fueron coladas y mantenidas a 20°C durante 24 horas sin intercambio de humedad. Posteriormente, fueron desmoldadas y curadas en un cuarto a 20 ± 1°C y 100 de HR durante 28 y 56 días.
Los resultados de las pruebas de resistencia a la compresión, realizadas de acuerdo con la norma ASTM C
39-03 a 28 y 56 días, son presentados en la Tabla 3. En ella, se puede constatar, que a 28 días se presenta
una ligera reducción en las probetas fabricadas con PN, comparados con aquellos fabricados sin esta adición.
Esta reducción puede atribuirse a la reacción puzolánica lenta de ciertos materiales suplementarios, Un curado húmedo continuo y con temperaturas favorables puede ser necesario por periodos más largos que los
normalmente requeridos [11] cuando se utiliza este tipo de materiales. Posteriormente, a 56 días se observa
un ligero incremento en la resistencia a la compresión (37 MPa). La sustitución de cemento por puzolana no
disminuye la resistencia a la compresión de los morteros de manera tal que perjudique al concreto.
Tabla 3. Resistencia a la compresión de cilindros de mortero
Resistencia a la compresión, MPa
Composición
28 días
56 días
CPO
41.6
41.0
CPC
36.0
----
CPO10P
34.5
37.0
CPO20P
39.0
37.5
2.3 Exposición
En condiciones normales el proceso de corrosión suele ser lento y tiene un tiempo de desarrollo medido
generalmente en años. Para acelerar dicho proceso, las probetas fueron sometidas a la penetración de cloruros
a través de ciclos de 3 días de inmersión parcial en una solución de NaCl a 35 g/l y 4 días de secado a 40
ºC en horno con circulación forzada de aire. Bajo estas condiciones, el fenómeno de corrosión será inducido
solamente por los cloruros, debido a que el alto contenido de agua en la matriz de mortero impide la carbonatación del mismo [22]. Las pruebas electroquímicas fueron conducidas al final del periodo de inmersión
con el objetivo de minimizar la contribución de la caída óhmica del mortero. Se analizaron como mínimo 4
probetas por cada composición.
2.4 Técnicas electroquímicas aplicadas
Medidas del potencial de corrosión (Ecorr), la resistencia a la polarización (Rp) y de la resistencia eléctrica
del mortero fueron llevadas al cabo con un Potenciostato/Galvanostato VoltaLab PGZ-301 conectado a una
computadora personal. La respuesta del sistema acero – mortero fue observada en un intervalo de frecuencias
de 1 Hz a 100 kHz. La polarización aplicada al sistema fue de 10 mV pico a pico a partir del potencial del
acero (esta prueba fue desarrollada justo antes de la Rp). Todos los resultados fueron tratados usando Zview
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El rol de las puzolanas naturales en el mejoramiento de la durabilidad del concreto reforzado
2.0. La técnica de Rp fue aplicada utilizando una velocidad de barrido de 12 mV/min disminuyendo en algunos casos hasta 6 mV/min para un estado pasivo del acero y una perturbación de 20 mV en sentido anódico
y 20 mV en sentido catódico. Los resultados de Rp fueron transformados a densidad de corriente (icorr) con la
relación de Stern and Geary [23] (icorr=B/Rp). Se tomaron en cuenta diferentes valores de b: si el acero estaba
en estado pasivo (si Ecorr > –250 mV vs SCE, b = 52 mV) o en estado activo (si Ecorr < –250 mV vs SCE, b =
26 mV) [24]. Para la conducción de estas pruebas, se utilizó una configuración a tres electrodos, empleando
un electrodo de referencia de calomel saturado (SCE, por sus siglas en inglés) y un electrodo auxiliar de acero
inoxidable 304L. En la Figura 3 se muestra un esquema de la celda de medida empleada.
Figura 3. Celda de medición utilizada.
2.5 Estado superficial del acero
Sobre algunas probetas se practicó el ensayo de tensión por compresión diametral con el objetivo de observar el estado de corrosión del acero. Al mismo tiempo, se recuperaron muestras en los alrededores de la
interfase acero – mortero, para determinar el contenido de cloruros totales (solubles al ácido).
3. Resultados
3.1 Potencial de corrosión
La evolución del potencial de corrosión de las diferentes probetas fabricadas es presentada en función del
tiempo (correspondiente al número de ciclos de inmersión y secado) en la Figura 4. La línea horizontal mostrada en la gráfica representa los diferentes intervalos de probabilidad de corrosión de acuerdo con Andrade
et al. [25].
10
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J. Pacheco, G. Fajardo, P. Valdez, A. Badillo
100
0
Ecorr vs. SCE (mV)
-100
BAJA PROBABILIDAD
DE CORROSION
-200
-300
ALTA PROBABILIDAD
DE CORROSION
-400
CPO
CPC
CPO10P
CPO20P
-500
-600
-700
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
110
Tiempo (días)
Figura 4. Evolución del potencial de corrosión para los diferentes morteros fabricados.
Se puede observar que durante los primeros 35 días se obtuvieron valores cercanos a -100 mV vs. SCE.
Durante este periodo, se mantuvo una tendencia generalizada, en las cuatro diferentes composiciones, a permanecer en la zona que indica baja probabilidad de corrosión del acero. A partir de los 42 días, el potencial
de corrosión de las probetas de CPC y CPO disminuye gradualmente hasta colocarse en valores cercanos a los
–600 mV, en comparación con el resto de las probetas estudiadas. Cabe recalcar, que durante este periodo,
las probetas fabricadas con puzolana, nombradas CPO10P y CPO20P, no presentan indicio de disminución en
su potencial de corrosión. Sin embargo, antes de los 80 días se presenta una disminución gradual del potencial de corrosión de los especímenes con composición CPO10P y continúa disminuyendo hasta la fase final del
periodo de prueba. En contraste y para este mismo periodo, las probetas CPO20P permanecen en una zona
de baja probabilidad de corrosión con valores superiores a los -100mV.
3.2 Velocidad de corrosión
En la Figura 5, se muestra el comportamiento de la velocidad de corrosión, icorr, para las diferentes composiciones ensayadas. De acuerdo con artículos relacionados con el tema [25], se han propuesto diversas zonas
donde se califica a la velocidad de corrosión en función del icorr medido. Dichas zonas están delimitadas por
las líneas horizontales punteadas mostradas en la figura.
Se constata que durante los primeros días, las cuatro composiciones presentaban un comportamiento similar mostrando valores de icorr inferiores a 0.1 mA/cm2. A partir de los 42 días, la icorr de las probetas CPC,
y poco después las probetas CPO, incrementa de forma gradual hasta colocarse en la zona de alta velocidad
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El rol de las puzolanas naturales en el mejoramiento de la durabilidad del concreto reforzado
10.0
ALTA
1.0
icorr ( A/cm²)
MODERADA
BAJA
0.1
CPO
CPC
CPO10P
CPC20P
DESPRECIABLE
0.0
0
10
20
30
40
50
60
Tiempo (días)
70
80
90
100
110
Figura 5. Comportamiento de velocidad de corrosión de morteros fabricados durante el periodo de prueba.
de corrosión, con valores superiores a 1.0 mA/cm2 a 60 días de exposición y que continua incrementándose
hasta alcanzar valores cercanos a 3 mA/cm2 a 90 días. En contraste, las probetas fabricadas con puzolana
(composiciones CPO10P y CPO20P) presentan valores que oscilan entre 0.05 y 0.07 mA/cm2, en todo caso
representativo de una velocidad de corrosión despreciable.
No obstante, a los 77 días, se nota una clara activación de las probetas fabricadas con 10% de puzolana
natural (CPO10P) aumentando gradualmente su icorr hasta valores ligeramente superiores a 1.0 mA/cm2 hacia
el final del periodo de prueba. Se observa también, durante este mismo periodo, que las probetas CPO20P
no han incrementado su velocidad de corrosión.
3.3 Resistividad
La resistividad eléctrica de los materiales cementantes, r es un parámetro que está influenciado directamente por la porosidad y por la concentración iónica en la solución de poro. En la Fig. 6 se muestra el comportamiento de la r para cada composición de probetas fabricadas.
Se observa que la resistividad de los especímenes fabricados con 20% de puzolana es hasta 2 veces superior que aquellas fabricadas con 10% de puzolana y hasta 5 veces superior que las composiciones CPO y
CPC. La disminución de la porosidad por el efecto de la utilización de puzolanas, evidenciada por la elevada
resistividad obtenida, afectaría la penetración de los cloruros y por ende la concentración de los mismos al
interior de los especímenes.
12
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J. Pacheco, G. Fajardo, P. Valdez, A. Badillo
30
CP0
CPC
CPO10P
CPO20P
25
Resistividad (k cm)
20
15
10
5
0
21
28
35
42
49
56
63
70
77
84
91
Tiempo (Días)
Figura 6. Evolución de la resistividad para cada composición de probetas fabricadas.
3.4 Contenido de cloruros
El contenido de cloruros totales obtenido en relación al peso de material cementante utilizado en la interfase acero-mortero a 80 días de exposición se ilustra en la Tabla 4. Se considera un valor de 0.28 % como el
límite máximo de cloruros totales permisible para las estructuras de concreto reforzado [26,27] expuestas en
zonas agresivas o costeras. Se constata que, solo las composiciones CPO y CPC fueron los que presentaron
mayor concentración de cloruros totales en la interfase, alcanzando valores cercanos a 1.3% por peso de
material cementante.
Para las composiciones CPO10P y CPO20P la concentración de cloruros diminuyó a 0.70% y 0.54%,
respectivamente. Aún, cuando todas las composiciones cuentan con el nivel mínimo de concentración de
cloruros para el inicio de la corrosión, éste no determina por sí solo la certeza de riesgos de corrosión o en
su defecto la severidad del ataque. Como se discutirá más adelante, la resistividad influye significativamente
en el proceso de corrosión, lo que conlleva a comportamientos diferidos en las composiciones con puzolana
natural.
Tabla 4. Concentración de cloruros totales en la interfase acero-mortero.
Composición
Contenido de cloruros
(% en peso con respecto al material cementante)
CPO
1.27
CPC
1.26
CPO10P
0.70
CPO20P
0.54
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El rol de las puzolanas naturales en el mejoramiento de la durabilidad del concreto reforzado
3.5 Estado superficial del acero
En la Figura 7 se muestran el estado superficial de las varillas embebidas en las diferentes probetas extraídas
a los 70 días de exposición. Se observan zonas de degradación en las composiciones CPO y CPC producidas
por el proceso activo de la corrosión en el área expuesta a la incursión de cloruros presentes en el ambiente
salino. En contraste, en ambas composiciones CPO10P y CPO20P no se observan picaduras o degradación
alguna a simple vista. Los resultados indican que el acero embebido en mortero fabricado con PN tiene un
mejor comportamiento que el acero embebido en mortero fabricado con cementos ordinarios y/o comerciales.
En estudios realizados sobre pastas de mortero, se ha comprobado que la adición de ceniza volante afecta
la composición y el espesor de la capa protectora del que se forma sobre la superficie del acero durante el
endurecimiento del concreto [28].
(a)
(b)
(c)
(d)
Figura 7. Estado superficial del acero a 80 días de exposición, a) CPO, b) CPC, d) CPO10P y d) CPO20P.
4. Discusión
Para la condición de exposición estudiada en este trabajo (especímenes sometidos a ciclos de inmersión
y secado) en las cuales se considera que el pH de la solución de poro no cambia durante el ataque de los
cloruros, el potencial y la velocidad de corrosión revelaron tres diferentes etapas durante la exposición. Una
primera etapa observada durante los primeros días de exposición caracterizada por valores de Ecorr > -250
mV representativos de un estado pasivo del acero. Este estado fue confirmado por los valores de icorr, los cuales fueron inferiores a 0.1 mA/cm2.
La segunda etapa, caracterizada por una transición gradual (entre 50 y 60 días, para CPO y CPC; y entre
75 y 85 días, para CPO10P) de la zona que indica pasividad del acero de refuerzo hacia la zona de corrosión
activa, fue observada en el rango -250 a -500 mV. Este estado también fue confirmado por los valores de
icorr, para los intervalos de exposición similares.
La tercera etapa reveló valores de Ecorr<-550 mV para CPO y CPC, característicos de un estado de corrosión activa de acuerdo a ASTM C876-87, y Ecorr<-400 mV para la composición CPO10P. Este último
comportamiento pareciera no cumplir con el criterio propuesto en la norma referida. No obstante, los valores
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de icorr evidencian que las tres composiciones están en un estado de alta velocidad de corrosión, con valores
superiores a 1.0 mA/cm2.
La correlación de los resultados de Ecorr e icorr obtenidos, supone que la disponibilidad de oxígeno fue suficiente en la etapa de secado, ya que no se encontraron problemas de polarización por concentración (como
en otros trabajos [29, 30]) provocada por la disminución de la difusión de oxígeno en concreto saturado
[31].
La utilización de puzolana reduce la porosidad del mortero, la cual está directamente relacionada con la
resistividad. Las pruebas desarrolladas en este trabajo evidenciaron un incremento en la resistividad de las
composiciones fabricadas con PN, siendo mayor en las que se utilizó un 20% de sustitución de CPO. Se sabe
que una baja porosidad influye en el ingreso de agentes agresivos externos (cloruros), efecto que fue verificado
en este trabajo donde el contenido de cloruros fue reducido hasta en un 50% en las composiciones fabricadas
con 10 y 20% de PN.
Este comportamiento se podría considerar superior a aquel encontrado por Salta [32] quien sustituyendo
50% de CPO por ceniza volante, encontró una reducción en el coeficiente de difusión de cloruros a la mitad
del valor obtenido en composiciones fabricadas utilizando sólo CPO.
Los valores de Ecorr e icorr (Figuras 4 y 5) demostraron el efecto benéfico de la puzolana natural en lo que
respecta al inicio de la corrosión y a la rapidez de degradación del acero de refuerzo. Especímenes con 10%
y 20% de PN permanecieron sin indicios de corrosión, respectivamente, durante 70 y 100 días, mientras
aquellos fabricados sin PN (CPO y CPC) se activaron después de aproximadamente 50 días del inicio de los
ciclos de inmersión y secado.
Este comportamiento se debe principalmente a la reducción ya comentada de la porosidad provocada por
la utilización de la puzolana.
En la Figura 9 se presenta el comportamiento de la velocidad de corrosión en función de la resistividad obtenida a diferentes tiempos. Las líneas punteadas son aquellas que distinguen los diferentes criterios, tanto de
velocidad de de corrosión (horizontales) como de resistividad (vertical) mencionados con anterioridad [25].
Se observa que los morteros CPO y CPC presentan resistividades inferiores a 10 kΩ-cm y valores de
icorr que aumentan de forma gradual desde 0.1 mA/cm2 hasta 4.0 mA/cm2. Estos resultados concuerdan con
los obtenidos por Andrade et al. [25] para estructuras en las cuales la resistividad no es un parámetro que
controlaría el mecanismo de corrosión. Por otra parte, para los morteros con 10% de puzolana CPO10P, los
valores de resistividad se encuentran en el umbral de cambio, donde se observa que la velocidad de corrosión
aumenta, existiendo otros parámetros (contenido de cloruros, oxígeno, humedad, etc.) además de la resistividad que controlarían el proceso de degradación del acero. De manera similar, para los especímenes CPO20P
que presentan resistividades elevadas, y por lo tanto, velocidades de corrosión muy bajas en comparación
con las de CPO y CPC, la resistividad se manifiesta como el parámetro principal que controla el proceso de
corrosión.
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El rol de las puzolanas naturales en el mejoramiento de la durabilidad del concreto reforzado
10.0
CPO
CPC
CPO10P
CPO20P
icorr ( A/cm2)
1.0
0.1
0.0
0
5
10
15
20
25
30
Resistividad (k cm)
9. Relación encontrada entre la resistividad y la icorr para los morteros fabricados
De esta forma la incorporación de puzolana influye tanto en la iniciación como en la progresión de la corrosión. En efecto, la PN adicionada en forma de pequeñas partículas y posteriormente durante su hidratación
tiene la capacidad de obstruir parcialmente los vacíos y poros. El efecto de la elevada resistividad sería significativo en la resistencia a la corrosión a largo plazo de las estructuras de concreto reforzado, resultados que
concuerdan con los reportados por Kouloumbi et al. [16].
5. Conclusiones
La utilización de puzolanas naturales Mexicanas en sustitución parcial de cemento portland tiene un efecto
en el comportamiento de la corrosión del acero de refuerzo:
• Incrementada la resistividad eléctrica del mortero;
• Una sustitución del 20% de cemento por puzolana prolonga el tiempo de inducción de la corrosión y reduce la velocidad de degradación por corrosión en un orden de magnitud. Lo cual fue
verificado con el estado superficial del acero durante la inspección visual;
• Los ciclos de inmersión y secado en una solución de 35 g/L NaCl muestran claramente que la
utilización de puzolana ofrece una mejor protección al acero embebido en comparación con los
especímenes fabricados con cementos comerciales y ordinarios.
La disminución de la resistencia a la compresión en los morteros fabricados con puzolana es razonable, y
dado la reducción del contenido de cloruros, la puzolana puede ser utilizada en concretos con resistencias
convencionales sin ningún efecto adverso.
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Agradecimientos
Los trabajos descritos en este artículo fueron desarrollados en el Departamento de Tecnología del Concreto del Instituto de Ingeniería Civil de la FIC-UANL. Los autores expresan su más profundo agradecimiento
al PROVERICYT, PAICYT y SEP por los apoyos financieros otorgados a los proyectos CA-1294-06 y PROMEP/103.5/05/1697.
Referencias
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Ricardo González Alcorta, Guillermo Villarreal Garza, Salvador R. Marines Delgado
Puentes curvos de trabes de
acero y losa de concreto:
sus dilemas de diseño y construcción
Ricardo González Alcorta1, Guillermo Villarreal Garza1, Salvador R. Marines Delgado2
RESUMEN
En este artículo se presenta una discusión sobre los aspectos que deben de tomarse en cuenta en el diseño y construcción de puentes curvos
horizontales, poniendo especial énfasis en los criterios de predicción del nivel de esfuerzos y deformaciones que tendrá la superestructura en las
diferentes etapas de montaje y servicio. Se presenta un caso de aplicación de un puente curvo formado por trabes de acero y losas de concreto.
Se mencionan las hipótesis de análisis consideradas para su diseño y se presentan las principales dificultades encontradas durante su proceso
constructivo.
ABSTRACT
This paper provides a discussion on the aspects that must be taken into account in the design and construction of horizontally curved steel I
girder bridges, with an special emphasis in the criteria for prediction of the stress and deformation levels that the superstructure will have in the
different stages. A case of study of a horizontally curved steel I-girders and concrete slab bridge is discussed. The main hypotheses of analyses
considered for the design and the main difficulties found during their constructive process are presented.
Introducción
Las restricciones geométricas de las vialidades urbanas actuales plantean frecuentemente la necesidad de
proyectar geométricamente puentes con una configuración curva horizontal. Dependiendo del radio de curvatura de estos puentes es posible solucionar la superestructura segmentándola en tramos rectos, con base
en un sistema tradicional de trabes rectas y losa de concreto. Sin embargo, cuando el proyecto geométrico
del puente requiere de radios de curvatura pequeños, la solución tradicional de segmentos de trabes rectas
resulta poco práctica y de muy baja calidad estética.
Los puentes formados por trabes curvas de acero y losas de concreto constituyen una alternativa de solución muy atractiva estéticamente y cuya aplicación se ha incrementado recientemente en diversas ciudades de
nuestro país. Sin embargo, la experiencia en el diseño y en la construcción de este tipo de puentes nos alerta
del cuidado que se debe tener en cada una de sus etapas, tanto de su fase de diseño (concepto, análisis, dimensionamiento y detalle) así como de su fase constructiva (fabricación, transporte y montaje) a fin de tener
una estructura que cumpla con los requisitos de seguridad, funcionalidad y estética que son planteados desde
su proyecto.
Actualmente en México no existe una normativa para el diseño de puentes curvos horizontales, por lo que
Profesor-Investigador de la Facultad de Ingeniería Civil de la UANL. [email protected]
Profesor de la Facultad de Ingeniería Civil de la UANL.
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Puentes curvos de trabes de acero y losa de concreto: sus dilemas de diseño y construcción
convencionalmente se recurre al código de diseño AASTHO (AASHTO, 2003) para su dimensionamiento.
Las especificaciones para diseño de puentes curvos horizontales del código AASHTO (en sus ediciones 1980,
1993 y 2004) son una de las dos únicas normativas para este tipo de puentes, siendo el código japonés la
otra alternativa disponible a nivel mundial (Japan Road Association -JRA-, 1988).
Concepto estructural de un puente curvo
Configuración de superestructura del puente
Un gran porcentaje de los puentes curvos horizontales que se construyen mundialmente están constituidos por una superestructura cuyo proyecto geométrico requiere de uno o dos carriles. Existen dos formas de
solucionar la configuración de este tipo de puentes:
a) Un sistema conformado por un cajón de concreto o acero, con losa de concreto como tablero principal
para la vialidad (figura 1). Este tipo de sistema estructural ha sido ampliamente utilizado en México y presenta
la ventaja de poseer una gran rigidez torsional, siempre y cuando se eviten agrietamientos en los elementos
que conforman el cajón en puentes de concreto (figura 1a), o En el caso de puentes de acero, se mantenga
la forma geométrica del cajón colocando diafragmas intermedios con una separación adecuada (figura 1b).
Losa de concreto
Cajón de concreto
Cajón de concreto
Cajón de concreto
b) Sección cajón de acero
a) Sección de concreto
Figura 1. Sistema conformado por un cajón de concreto o acero y losa de concreto
b) Un sistema con base en trabes curvas de acero y losa de concreto como tablero (figura 2), cuya aplicación se ha incrementado recientemente en México. Las vigas curvas de acero tienen individualmente muy baja
rigidez torsional y aseguran su estabilidad solo si son conectadas con las otras trabes por medio de un conjunto de diafragmas transversales, lo que a su vez conduce a aumentar significativamente la rigidez torsional
del sistema en general (Davidson, 2003). En este artículo se concentra la discusión precisamente sobre este
tipo de puentes curvos horizontales.
Configuración de subestructura de puente
La subestructura de un puente curvo de uno o dos carriles se resuelve convencionalmente con base en una
columna central (ya sea de sección rectangular, circular u ovalada), conectada rígidamente a un cabezal sobre
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Ricardo González Alcorta, Guillermo Villarreal Garza, Salvador R. Marines Delgado
Figura 2. Sistema conformado por trabes de acero, diafragmas y losa de concreto
el cual se apoyarán las trabes de la superestructura. La configuración de la subestructura conformada por la
columna central y el cabezal es posible que tenga dos alternativas de acuerdo a la forma en que se apoya la
superestructura:
a) Un cabezal de sección rectangular, sobre el cual se apoyarán las trabes en el nivel superior del mismo. Generalmente este tipo de cabezal
se configura con una sección transversal rectangular de peralte variable (figura 3a).
b) Un cabezal “integrado” de sección T invertida, que tendrá una dimensión vertical igual al peralte de las trabes (figura 3b). Los cabezales
de este tipo de configuración son de sección constante y debe ponerse mucha atención en el diseño de las ménsulas que configuran la
sección T, ya que en caso de un dimensionamiento inadecuado pueden presentarse agrietamientos importantes o inclusive colapsos (Araiza,
2004).
a) Cabezal de sección rectangular
b) Cabezal integrado de sección T invertida
Figura 3. Estructuración típica de pilas centrales de puentes curvos
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Puentes curvos de trabes de acero y losa de concreto: sus dilemas de diseño y construcción
La cimentación de las columnas de la subestructura generalmente queda conformada por zapatas cuya
dimensión se define por la capacidad de carga del suelo sobre el cual se desplantan; inclusive, en estratos
con poca capacidad de carga, es común utilizar pilotes de concreto colados in situ para transferir las cargas a
estratos resistentes conformados por roca (lutita).
Tipos de apoyos para la superestructura
Debido a que el comportamiento de un puente curvo (y al tipo de cargas a las que se somete) difiere en
forma significativa al de un puente recto convencional, la selección del tipo de apoyo de la superestructura
tiene un rol muy importante y debe asegurase que las hipótesis con las cuales se dimensionó el mismo correspondan con el tipo de restricción que les proporcione el sistema de apoyo seleccionado.
Etapa de diseño estructural
Las etapas del proceso de diseño de un puente curvo no difieren apreciablemente de las que se establecen
al dimensionar un puente recto convencional. Una vez cubiertos todos los estudios preliminares necesarios
para el dimensionamiento del puente (topográfico, proyecto geométrico, mecánica de suelos, hidráulico-hidrológico e interferencias), el proceso de diseño debe contemplar las siguientes etapas:
a) La definición del concepto estructural, en el cual deben seleccionarse el tipo de superestructura y subestructura más convenientes de acuerdo a los requerimientos geométricos, económicos y estéticos del
proyecto.
b) El diseño preliminar del puente, en el cual deben predimensionarse todos los elementos que conforman
la estructura del mismo, con base en las disposiciones reglamentarias de espesores, relaciones geométricas, relaciones peralte de trabe/claro del puente, etc. Para este dimensionamiento preliminar es altamente
recomendable seguir los lineamientos del código AASHTO “Guide Specifications for Horizontally Curved
Steel Girder Highway Bridges 2003” (AASHTO, 2003). No debe perderse de vista que ante la carencia de
guías de diseño claras y de experimentación en puentes curvos horizontales, principalmente sometidos al
nivel de cargas que se aplican en México, conviene tener un prediseño conservador de todos los elementos
del puente.
c) Análisis y diseño refinado del puente, en esta etapa debe seleccionarse el tipo de modelo matemático a
utilizar para idealizar la estructura. Aunque el código AASHTO permite utilizar métodos aproximados de
diseño para los elementos estructurales que conforman el puente curvo, es muy recomendable modelar
tridimensionalmente el sistema estructural en su conjunto, generalmente usando elementos finitos para
idealizar las trabes curvas y la losa de concreto.
En esta etapa de diseño se requiere calcular las contraflechas de las trabes curvas para las fases de montaje
y construcción, para lo cual re requiere plantear junto con el fabricante de las trabes y con el constructor el
procedimiento de montaje a utilizar en el puente. Además, deben evaluarse los esfuerzos que se generan
en las trabes curvas durante fases de montaje, construcción y servicio, de acuerdo a la planeación esta-
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Ricardo González Alcorta, Guillermo Villarreal Garza, Salvador R. Marines Delgado
blecida para tal efecto. Es conveniente considerar en el modelo matemático del puente la participación de
la subestructura del mismo (cabezal, columnas, zapatas y –en su caso- pilotes), dado que para las cargas
asociadas a los efectos de temperatura y fuerzas centrífugas la flexibilidad de la subestructura juega un
papel importante y no es aconsejable modelar en forma aislada estos componentes estructurales.
d) Detallado final del puente, en esta etapa deben realizarse los planos de la ingeniería de detalle y fabricación de los elementos estructurales que conforman el puente. Esta es una etapa fundamental de la etapa
de diseño, ya que es necesario elaborar con el mayor detalle posible todos los planos de la ingeniería de
tal forma que se minimicen los posibles errores o malas interpretaciones de la fabricación de las trabes.
Es necesario que en los planos se establezca la metodología de montaje de los módulos de trabes que
conformaran los tableros, teniendo el cuidado de jamás montar una trabe curva en forma aislada, ya que
se provocarían deformaciones excesivas de la trabe e inclusive la inestabilidad de las mismas.
Etapa constructiva
La etapa constructiva de un puente curvo constituye uno de los retos más importantes de la ingeniería
de puentes que se realiza actualmente en este país. Los requerimientos de control de calidad y supervisión
técnica son mucho más estrictos que los que se requieren para la construcción de puentes rectos, por lo que
se recomienda una planeación detallada de cada una de las etapas de trasporte, montaje y construcción de
los tableros del puente.
El reglamento AASHTO relaciona la etapa constructiva con el concepto de Constructibilidad del puente.
Una de las fases críticas de la etapa constructiva del puente curvo es el montaje de las trabes y el colado de
las losas de concreto de los tableros principales. La secuencia de montaje debe estar especificada claramente
en los planos de montaje y debe ser supervisada estrictamente. Asimismo, debe asegurarse que siempre se
monten las trabes conforme a lo planeado y contemplado en la etapa de diseño.
Es conveniente recomendar el montaje por pares de trabes o por un conjunto de tres trabes y sus correspondientes diafragmas, tal como se ilustra en la fotografía 1.
Fotografía 1. Montaje de trabes metálicas en tramo curvo de puente
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Puentes curvos de trabes de acero y losa de concreto: sus dilemas de diseño y construcción
Caso de estudio
Descripción del puente y concepto estructural
Se presenta un caso de aplicación de un puente curvo horizontal de dos carriles, con una superestructura
formada por cinco trabes de acero y losas de concreto recientemente construido en la ciudad de Monterrey,
Nuevo León. En la figura 4 se presenta una planta con las dimensiones del proyecto estructural. Se observa
que el eje horizontal del proyecto es curvo, modulado por 8 tramos de aproximadamente 30 metros (ejes 1 a
9) más dos rampas iniciales de tierra armada, con una longitud total del puente de 365.18 metros.
Figura 4. Geometría del puente curvo en estudio
Estudio de mecánica de suelos
Con el fin de establecer las propiedades mecánicas de suelo sobre el cual se desplantó la estructura (estratigrafía y resistencia del suelo), se elaboró un estudio de mecánica de suelos, cuyos principales resultados
arrojaron las siguientes observaciones:
a) Se elaboraron 4 sondeos con máquina perforadora del tipo rotaria a 16, 22, 18.6 y a 20 metros.
b) Como primera alternativa se recomendó utilizar pilotes colados en el lugar desplantados a una profundidad de 10 metros a partir del nivel de la calle, las cuales trabajarían por punta y fricción.
c) Como segunda alternativa se recomendó utilizar pilotes colados en el lugar desplantados a una profundidad tal que se alcance el basamento rocoso constituido por la lutita, las cuales trabajarían por punta
exclusivamente, con una capacidad admisible de 30 kg/cm2.
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d) No fue recomendable emplear una cimentación a base de zapatas aisladas debido a que se pudieran
presentar asentamientos diferenciales por las características propias de los estratos superficiales. La profundidad de desplante de la zapatas, en caso de considerar esta alternativa es de 4 metros con una carga
admisible de 1.0 kg/cm2.
Finalmente se decidió utilizar la alternativa de pilotes de punta desplantados a una profundidad aproximada
de 17 metros a partir del terreno natural, los cuales se desplantaron sobre el estrato de lutita.
Descripción de la superestructura
La superestructura del puente consiste de ocho claros, con un sistema estructural con base en trabes de
acero formadas por tres placas soldadas, sobre las cuales se apoya una losa de concreto reforzado de 20 cm
de espesor. Este sistema estructural presenta diafragmas transversales en forma de X conformados por perfiles de acero. Debido a la curvatura del puente y a la necesidad de tener sobreanchos de carril, la separación
entre las trabes varía entre 1.60 metros en los tramos rectos a 2.2 metros en los tramos curvos. En la figura
5 se muestra un arreglo de las trabes de acero del puente, con un volado de losa de 75 cm en los extremos
del puente. La trabes de acero no tendrán continuidad sobre los apoyos, es decir, se consideran como simplemente apoyadas en cada extremo, ya que se seleccionó el concepto de “cabezal integrado” de sección T
invertida para este puente.
Figura 5. Elevación de la pila central del puente curvo en estudio
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Puentes curvos de trabes de acero y losa de concreto: sus dilemas de diseño y construcción
Descripción de la subestructura
En la figura 5 se presenta una elevación transversal de una pila central del puente, donde se aprecia la estructuración de la pila conformada por el cabezal integrado de un peralte total de 1.50 metros, una columna
circular de 1.50 metros de diámetro, una zapata rectangular de transferencia y 4 pilotes de concreto de 1.20
metros de diámetro.
Las cimentaciones de las pilas se estructuraron considerando las propiedades mecánicas del suelo de
soporte de la estructura y la magnitud de las cargas a transmitir al estrato resistente, según el estudio de
Mecánica de Suelos. La cimentación consistió en una zapata de transferencia de 6.00 por 6.00 metros de
dimensiones en planta, con un espesor de 1.50 metros. Esta zapata de transferencia se apoya sobre 4 pilotes
de concreto de 1.20 metros de diámetro, los cuales tienen una longitud de 15 metros a partir del nivel inferior
de la zapata de transferencia.
En los ejes extremos del puente (ejes 1 y 9) se utilizaron estribos de concreto, sobre los cuales se apoyarán
las vigas extremas del puente y soportarán lateralmente las presiones laterales de la rampa de acceso al mismo.
En la figura 6 se presenta una vista de los estribos del puente.
Figura 6. Elevación de un estribo del puente curvo en estudio
Análisis y diseño del puente
Se desarrolló un modelo matemático tridimensional del puente utilizado el programa especializado de
análisis y diseño estructural SAP2000 (SAP2000, 2005). Dada la potencialidad de este programa, fue posible
modelar tridimensionalmente tanto la superestructura (losa, trabes de acero y diafragmas) como la subestructura (cabezal, columnas circulares, zapatas de transferencia y pilotes). Con el modelo matemático desarrollado
de la estructura (figura 7), fue posible obtener la siguiente información:
a) Acciones mecánicas para cada uno de los elementos estructurales (cargas axiales, cortantes, momentos
flexionantes y momentos torsionantes).
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b) Desplazamientos verticales y horizontales de los elementos, tanto para el cálculo de las contraflechas
como para la revisión de la etapa de servicio del puente.
c) Acero de refuerzo en los elementos de concreto reforzado.
d) Esfuerzos en trabes de acero para las fases de montaje y construcción, así como la fase de servicio del
puente.
Figura 7. Modelo matemático de la estructura del puente curvo horizontal
En el modelo matemático se consideraron los siguientes elementos estructurales:
• La losa principal de 20 cm de peralte total, idealizándose con elementos finitos tipo placa.
• Trabes de acero formadas por tres placas de acero.
• Cabezal de concreto. Se consideró un cabezal de sección T invertida de peralte constante. Sobre
este cabezal se apoyan las trabes principales del puente en forma excéntrica, para tomar en cuenta
la torsión y flexión actuando simultáneamente sobre el cabezal.
• La columna circular de 1.50 metros de diámetro.
• La zapata de transferencia de 1.50 metros de espesor.
• Los pilotes de concreto de 1.20 metros de diámetro y 15 metros de longitud. Para el apoyo
lateral que le proporciona el suelo se consideraron resortes elásticos con una constante de 3
kg/cm2/cm, de acuerdo a los estudios de mecánica de suelos del sitio.
El camión de diseño utilizado para el dimensionamiento del puente fue el recomendado por el Instituto
Mexicano del Transporte (IMT, 2004), denominado IMT 66.5, el cual tiene un peso total de 66.5 toneladas
distribuidas en tres ejes del camión.
Las trabes principales formadas de tres placas de acero fueron diseñadas considerando que se encuentran
simplemente apoyadas en los cabezales de las pilas. El claro de las trabes se establece de acuerdo a las longitudes entre los cabezales. Cada segmento de puente tiene un apoyo fijo en un extremo y un apoyo móvil en el
otro extremo, el cual fue modelado a través de un elemento tipo barra que tiene la misma rigidez que el apoyo
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Puentes curvos de trabes de acero y losa de concreto: sus dilemas de diseño y construcción
real de neopreno que se colocó en el puente. Esta consideración de análisis fue una hipótesis básica para el
dimensionamiento de las columnas del puente, ya que si el puente no tuviese esa capacidad de movimiento en
cada tramo del mismo, los efectos de temperatura hubieran provocado fuerzas horizontales radiales de gran
magnitud, requiriendo dimensiones de columna significativamente superiores.
En la figura 8 se muestra un corte esquemático de las dimensiones generales de la trabe, la cual presenta
un peralte de 1.50 metros para todos los claros anteriormente mencionados.
Figura 8. Dimensiones geométricas de las trabes de acero en los tramos curvos
Las dimensiones de las trabes se definieron tomando en cuenta las recomendaciones del manual AASHTO,
por medio del cual se consideraron los siguientes aspectos:
a) El esfuerzo máximo en flexión se debe limitar a 0.5 Fy (Apartado 5.1, manual AASHTO). Para las trabes principales se decidió utilizar un esfuerzo de fluencia del acero A-50, por lo cual el esfuerzo máximo
admisible debe limitarse a 1760 kg/cm2.
b) El peralte mínimo de la trabe de los tramos curvos debe satisfacer la dimensión resultante de dividir el
claro (L) entre el peralte total (h) a un valor de 25 (Apartado 12.2, manual AASHTO). En este caso se
decidió tener una relación máxima de L/h igual a 20, por lo que resultó un peralte de 1.50 metros para el
claro de 30 metros.
c) El espesor de las placas de los patines de las trabes de los tramos curvos se definió de acuerdo a una
relación máxima del ancho del patín (bf) entre el espesor (tf) de 18 (Apartado 5.2.1, manual AASHTO).
Es así que para un patín de 50 cm se decidió utilizar un espesor 3.8 cm en el patín.
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Ricardo González Alcorta, Guillermo Villarreal Garza, Salvador R. Marines Delgado
d) El espesor de la placa del alma de la trabe se estableció de acuerdo a una relación máxima de peralte
del alma (D) entre espesor del alma (tw) de 100 (Apartado 5.2.1, manual AASHTO). Es así que para un
peralte de 150 cm se decidió utilizar un espesor de 1.9 cm en el alma. De acuerdo a esta especificación,
las almas no requieren tener atiesadores intermedios.
Esfuerzos de flexión en trabes principales
Una vez propuestas las dimensiones de las trabes, los esfuerzos de flexión máximos se determinaron
directamente del análisis tridimensional realizado con el programa SAP2000. Para definir este esfuerzo se
analizaron dos fases del comportamiento de la trabe:
a) Comportamiento de la trabe para la etapa de montaje y construcción (losa en estado fresco). Para esta
fase se consideró que la losa de concreto no contribuye ni en la resistencia ni en la rigidez de la trabe.
b) Comportamiento de la trabe para la etapa de servicio, considerando la carga viva, el impacto, frenaje y
la fuerza centrífuga de los vehículos. En esta fase se consideró un comportamiento de sección compuesta
formada por la trabe de acero y ancho efectivo de la losa de concreto.
En la tabla 1 se muestra una comparación de los esfuerzos obtenidos en las trabes de los tramos rectos y
en los tramos curvos del puente, donde se detecta un incremento en esfuerzo de un 23 % debido al efecto
de curvatura de las trabes y del mayor ancho tributario en los tramos curvos del puente.
Tabla 1. Esfuerzos obtenidos en trabes de acero en los tramos curvos
Elemento estructural
Esfuerzo de flexión, etapa de construcción
(kg/cm2)
Esfuerzo de flexión, etapa de servicio
(kg/cm2)
Esfuerzo total
(kg/cm2)
Trabe de 30 metros,
Tramos rectos
659
653
1312
Trabe de 30 metros,
Tramos curvos
793
824
1617
Desplazamientos en trabes principales
Se determinaron los desplazamientos que presentan las trabes principales para las etapas de montaje,
construcción y servicio. Por recomendaciones del manual AASHTO, debe darse una contraflecha para la
etapa de construcción que considere la flecha de las cargas de peso propio, losa y carga muerta adicional.
Asimismo, debe asegurarse que la flecha por carga viva e impacto no exceda de una flecha máxima con un
valor de L/800, donde L es la longitud del claro.
Etapa constructiva del puente
Se llevo a cabo una supervisión técnica del proceso constructivo del puente en estudio, realizándose visitas periódicas al sitio para tener un control de calidad y asegurar que la planeación del proceso de montaje y
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Puentes curvos de trabes de acero y losa de concreto: sus dilemas de diseño y construcción
construcción se realizara satisfactoriamente en todas las fases de la construcción del puente.
La fase más complicada de la etapa constructiva fue la asociada al transporte y montaje de las trabes, ya
que se recomendó que se fabricaran en el taller las trabes con la longitud real entre apoyos, transportándose
siempre en pares de trabes o, en su caso, un sistema de tres trabes con sus respectivos diafragmas intermedios
(fotografía 1) .
Para el transporte de las trabes desde el taller de fabricación al sitio de la obra fue necesario establecer una
logística para la ruta vial más adecuada, en conjunto con las autoridades municipales, ya que se encontraron
dificultades geométricas de acceso a la obra. Todo el transporte y montaje fue en horario nocturno.
Se decidió “presentar” el sistema completo de trabes para cada uno de los claros de puente en los patios
del taller de fabricación antes de trasportarlas a campo, de tal forma que se revisaran los niveles reales de cada
una de las trabes. Se elaboró para cada tramo del puente una “cama de apoyos” con los desniveles reales de
los apoyos, como se muestra en la fotografía 2.
Fotografía 2. Presentación del conjunto de trabes en el taller de fabricación
Se recomendó que no se colaran las losas de concreto de un tablero a menos de que ya se tuvieran montadas las trabes de tableros adyacentes, con el fin de minimizar los efectos torsionantes que pudieran inducirse
por la excentricidad de la reacción de las trabes en el cabezal de la sección T invertida.
El curado de las losas de concreto se realizó por medio de membranas de curado, las cuales fueron aplicadas de acuerdo a las especificaciones del proveedor de la membrana.
Un detalle estructural muy importante que debe cuidarse es la junta entre la losa de concreto y la parte
superior del cabezal, ya que si no existe una separación adecuada entre estos dos componentes (que puede
solucionarse con un espesor de poliestireno o similar), pueden presentarse fisuras en el cabezal asociadas al
movimiento relativo de la losa por efecto de las cargas vivas o por cambios de temperatura ambiental.
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Ricardo González Alcorta, Guillermo Villarreal Garza, Salvador R. Marines Delgado
Comentarios finales
Los puentes curvos horizontales formados por trabes de acero y losas de concreto son una alternativa que
frecuentemente va a ser utilizada en México dados los requerimientos geométricos de las vialidades urbanas
actuales. Ante la carencia de un conocimiento pleno del comportamiento de este tipo de puentes, se recomienda ser conservadores en el dimensionamiento de los elementos estructurales que conforman este tipo
de puentes. Asimismo, es necesario establecer programas de experimentación y monitoreo de los puentes
recientemente construidos en México, con el fin de detectar aspectos no considerados en las etapas de diseño
y construcción de los mismos.
Referencias
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SAP2000 (2005), “Structural Analysis Program”, Computers and Structures, Inc., Berkeley Cal.
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Effect of overexploitation of the aquifer of the Hundido Valley and the impact on
the ecological reserve of the Cuatro Ciengas Valley of Coahuila, Mexico
Effect of overexploitation of the aquifer of
the Hundido Valley and the impact on the
ecological reserve of the Cuatro Cienegas
Valley of Coahuila, Mexico
Rodríguez M. J. M.1, Souza S. V.2, Arriaga Díaz de León L. E.1
RESUMEN
Las condiciones predominantes de sequía que en la parte norte del estado de Coahuila nos hacen tomar una reflexión sobre el uso racional
sostenido del recurso del agua en la región, a fin de preservar diferentes ecosistemas únicos en el mundo, en la reserva ecológica del Valle de
Cuatro Ciénegas Coahuila México, donde habitan 37 especies en peligro de extinción.
El análisis del balance hidrológico usado en el Valle del Hundido correspondiente a la cuenca fue calculado mediante la siguiente ecuación:
EstVinf = Ext * As, donde As la entrada al flujo subterráneo es equivalente a = 17.28 X 106 m2/año. La infiltración del subsuelo en el Valle
es de 2.45 X 106 m3/año extracciones por bombeo equivalente a 21.6X106 m3/año es igual a 0.
El cambio de almacenamiento es igual a -1.87 X 106 m3/año. Esto demuestra que en dos años de haberse iniciado este proyecto el acuífero
esta sobreexplotado. El origen del agua del Valle del Hundido esta relacionado con una cuenca cerrada así como a procesos sedimentarias
asociadas a fenómenos cársticos y fallas inversas en un proceso de transgresión en el ancestral Golfo de México. La estructura es honda y esta
concentración de sales sube debido a la circulación y saturación de las mismas, por lo tanto el incremento de sulfatos en la parte noreste del
valle es producto de la disolución de paquetes de anhidritas en la formación Acatita en el cretácico inferior, y así como de los estratos a gran
profundidad de los yesos del jurasico inferior de la formación Novillo.
Palabras clave: sobre explotación, equilibrio hidrológico, fenómenos cársticos, sulfatos, cuenca endorreica.
ABSTRACT
The prevailing conditions of dryness in the northern part of the Coahuila state make us reflect on rational and sharp use resource water in the
region without affecting the different ecosystem of the unique world- wide level ecological reserve where there inhabit 37 endemic endangered
species in the Cuatro Ciengas Valley of Coahuila, Mexico. Analysis of the hydrologic balance used in the Valley of the Hundido rives basin was calculated using the following equations. Es + Vinf = Eext * As. Entrance by underground flow = 17.28x 106 m3/year. Infiltration underground
of the valley = 2.45x 106 m3/year. Extractions by pumping 21.6 x106 m3, Exits = 0 Therefore the change of storage = -1.87x 106 m3 /year,
this demonstrates that two years after initiating the project the water –bearing one is over exploited. The origin of water in the Hundido Valley
is closely related to the processes of sedimentation of rocks, being cached in karsts and Fault trout product of transgressions of the ancestral Gulf
of Mexico. As the structure is deepened, its concentration of salts increases due to the both circulation and to saturation of the same one, for that
reason there is an increase of sulphates in the northwestern part of the valley, product of the dissolution of plasters and present anhydrites in the
Acatita Formation of the Lower Cretaceous to greater depth in lie plaster of Novillo Formation of the Lower Jurassic.
Key words: overexploitation, hydrologic balance, karsts, sulphates, endorreic basin.
Institute of Civil Engineering, Autonomous University of Nuevo Leon, Mexico. [email protected]
Institute of Ecology, UNAM.
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Rodríguez M. J. M., Souza S. V., Arriaga Díaz de León L. E.
Introduction
The Valley of the Hundido is located in the SW part of the State Coahuila, Mexico approximately 32 kilometers of the ecological reserve The Cuatro Cienegas Valley of Coahuila in the Sierra Madre Oriental at
the eastern edge of the Chihuahua desert. The Cuatro Cienegas and Hundido Valley formed as product of
original pushes of the north those that when hitting the block of Coahuila folded to the mountain ranges of la
Fragua, San Marcos- El Pino and El Granizo. The conceptual groundwater flow models for the Cupido- Aurora/Paila aquifer in the Hundido Valley have invoked recharge through exposed carbonate rock in mountain
Sierra de Los Alamitos, La Fragua and Granizo. Recharged groundwater has been hypothesized to flow down
the hydrologic gradient from the Sierra de Los Alamitos southeast y southwest, The Sierra Colorada to west
and La Fragua to north. Specific about the recharge region in the Hundido Valley it has to been addressed
nor have the early conceptual flow models been adequately tested. An aquifer system has been defined in the
area (Rodriguez-Diaz de Leon 2004), it consists of a shallow unconfined aquifer and deeper aquifer confined
they separated by Formation La Peña. Although in each hydrology unit Cupido and Aurora has communicate
shallow aquifer to fracture. The dynamic mechanism that gave rise to the folding of the structures in the area
of investigation in the Hundido Valley, is based on three fundamental concepts: Presence of evaporates in two
levels, Formation Novillo of the Lower Jurassic and Acatita Formation of the Lower Cretaceous, clastic and
carbonated rocks, which conform them structure of the mountain ranges of the Northeast region of Mexico.
Basal takeoff in the South margin of the Jabali Valley, (this crystalline) arising this rise acted in the deformation
with a geometric of folds product of a recumbent and ridden anticline to the South against the Stop of the
Island of Coahuila.(Eguilius A. S., 2000)
This paper provides new information of the Cuatro Cienegas and Hundido Valley. Our objectives are to
discuss evidence and history the San Marcos Fault to interpreted the Lower Jurassic and Lower Cretaceous
stratigraphy of central Coahuila and pos-cretaceous fault in them Sierra de la Fragua, San Marcos- El Pino
and Granizo.
Method
The structural and hydro geologic conceptual model of aquifer in the Hundido Valley based on information
of field, rise of geophysical, geological, pump test, geochemistry analysis and video well, geological sections
with satellite image and description of outcrops, in the mountain ranges of San Marco, La Fragua and El Granizo. We hypothesize that the subterranean karsts formation is communicated between valleys and aquatic
systems by a series of cave tunnels giving it a look of gigantic emmental cheese. The presence of sequences
exclusive to marine bacteria (Souza V. 2004) including strains from hydrothermal vents along with karts bacteria and temperature of the springs (32 degree Celsius) and same upper cuota in the surface of the Churince,
La Becerra and Poza Azul the pozas in the Cuatro Cienegas Valley (Forti P., et., al., 2003) have the exact same
water temperature from the well drilling in December 2003 in the Eastern flank of the La Fragua mountain
witch confirms our geologic and hydro geologic hypothesis.
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Effect of overexploitation of the aquifer of the Hundido Valley and the impact on
the ecological reserve of the Cuatro Ciengas Valley of Coahuila, Mexico
Location and Hydrogeology of Study area.
The Hundido Valley of the located in the Southwest part of the State Coahuila, approximately 32 kilometers
of the ecological reserve. The region is characterized by intramontane plains and along mountains ridges that
correspond facing anticlines. In the investigated area a thick succession of Cretaceous, limestone, lying on
continental mudstone and sandstone, prevalently outcrop (Lehmann, et al 1999). Limestone displays massive
to middle mudstone and sandstones of Paleocene cover it. A magmatic phase, coeval to the compressive
tectogenesis, affected the whole area during Oligocene. Tectonic distension onset about 19 Myr ago (Earl
Miocene) and continued during Pliocene accompanied by effusion of calc-alkaline lavas.
Simbology
Study Area
San Marcos Fault
La Fragua /Hundido Fault
Fig. 1. Location of Study area
The tectonic framework of the study area is characterized by occurrence of wide fold-and thrust structure,
dissected by several prominent San Marcos fault. The fold structures, generated by the Oligocene- Miocene
compressive tectonic, are segmented and displaced by several normal faults developed after the tectonic phase
of uplifting occurred in the finish Eocene.
Notwithstanding the mountains consist mainly of carbonate rock; karts landforms are quite rare because of
the intensive intensive weathering. Significant karts landforms occur only in small area, generally located along
major crests; infiltration forms, such as do lines, are practically absent.
Endokarst systems are little developed and generally concentrated in restricted areas. Solution caves are
rare often small in dimension. Along the lateral cliff of canyons, several niches and holes are detectable.
“Cavernous” weathering and or mechanic enlargement of small interstratal karts conduits originate most of
them.
The aquifer in the Hundido Valley is composed of a group of Cretaceous carbonates that have two Formations Cupido and Aurora/ to Sabinas basin and Paila Formation corresponded to Sierra Los Alamitos,
the thickness formations of approximately 350 meters in the Hundido Valley. Litho logically aquifer in region
consist of rudist limestone’s, burrowed tidal-flat wackestones, grainstones, dolomite, nodular, chert, solutioncollapse breccias.
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Rodríguez M. J. M., Souza S. V., Arriaga Díaz de León L. E.
Recharge to the aquifer occurs through of the intense fracturing in the mountains La Fragua, Alamitos and
El Granizo and San Marcos fault. The system fault and joint, has orientations lineament o Northeast and
Southwest in the Hundido Valley (McKee, 1990).
Fig. 2. Geologic map of Hundido Valley
The mountain range la Fragua on its put to frontal fault Trout, with the mountain range of the San Marcos;
the grudges of takeoff like the contact between the formations: Georgetown, Aurora, Peña and Cupido, produce hydraulic communication between the Hundido Valley and Cuatro Cienegas.
Fig. 3. Desquamate Section
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the ecological reserve of the Cuatro Ciengas Valley of Coahuila, Mexico
The Cuatro Cienegas valley and The Hundido Valley have been separated of the River basin of Sabinas,
from their conformation at the beginning of the Tertiary one giving rise to endorreica River basin in the Hundido Valley. The origin of water in the Hundido Valley closely is related to the processes of sedimentation of rock,
being catches in karts and fault trout. As the structure is deepened, its concentration of salt increases due to
the low circulation and to the saturation of the same one, for that reason there is an increase of sulphates in
the part the northwest of the valley product of the dissolution of plasters and present anhydrites in Acatita and
Novillo Formations.
Well Yields
The hydro geological properties of the aquifer in carbonate rocks formations Cupido and Aurora depending of different cause’s associate of system faults and fractures in the wells to reflect zones very high
transmissivity. Due to faster ground water flow along such open fractures, water would be expected to be
more undersaturade than slower moving water in the fractured rock. Some lineations of highly under saturated
waters correlate with know faults and photo-lineaments. Higher wells volumes to locations of the flanks north
the Sierra Los Alamitos and south east to Sierra La Fragua, across faults San Marcos. At Table 1 has been
listed the wells monitoring in the area Hundido Valley. 117 wells illustrate and distribution and localization
along to center valley and flanks to the mountains Alamitos and La Fragua.
Fig 4. Localization map of wells in the Hundido Valley
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Rodríguez M. J. M., Souza S. V., Arriaga Díaz de León L. E.
Hydrological Balance
The analysis of the climatologic information of 30 years of observation in the stations: Cuatro Cienegas,
Ocampo, Santa Teresa and Antiguos Mineros served to support us to obtain the following parameters: Annual
average precipitation in the zone is of 219.5 mm/years, with season of rain do May to September, begin the
rainiest month of September and the one of smaller precipitation the one of March with an average of 45.0
and 5.3 mm/years respectively. Annual average temperature in the zone is of 21.6 degrees Celsius. The
annual average evaporation in the four analyzed stations is of 2168.6 mm/years and annual average Evapotranspiración is of 182.0 mm/years
Data were collected from May 2003 through May 2005 to determine the hydrologic balance and to improve quantification of ground water in the region.
Inflow component
Vp = incident precipitation in the region en million cubic meters
Ve = surface water outflow in the region in million cubic meters
Evt = Evapotranspiración in million cubic meters
Vinf= surface water inflow in million cubic meters.
Analysis of the hydrologic balance used in the Valley of the Hundido rives basin was calculated using the
following equations. Es + Vinf = Eext * As. Entrance by underground flow = 17.28x 106 m3/year. Infiltration underground of the valley = 2.45x 106 m3/year. Extractions by pumping 21.6 x106 m3, Exits = 0
Therefore the change of storage = -1.87x 106 m3 /year. The Evapotranspiratión in the region to represent
the 83% of total volume precipitation, the surface water outflow in the region to represent 15% to volume
precipitation only 2% total volume inflow the Hundido Valley aquifer.
Results and Discussion
The analysis information of structural and hydro geologic conceptual model of aquifer in the Hundido
Valley based on information of field, rise of geophysical, geological, pump test, geochemistry analysis and
video well, geological sections with satellite image and description of outcrops, in the mountain ranges of San
Marco, La Fragua and El Granizo.
The conceptual groundwater flow models for the Cupido- Aurora/Paila aquifer in the Hundido Valley have
invoked recharge through exposed carbonate rock in mountain Sierra de Los Alamitos, La Fragua and Granizo.
Recharged groundwater has been hypothesized to flow down the hydrologic gradient from the Sierra de Los
Alamitos southeast y southwest, The Sierra Colorada to west and La Fragua to north. Specific about the recharge region in the Hundido Valley is has to been addressed nor have the early conceptual flow models been
adequately tested. An aquifer system has been defined in the area (Rodriguez-Diaz de Leon 2004), it consists
of a shallow unconfined aquifer and deeper aquifer confined they separated by Formation La Peña. Although
in each hydrology unit Cupido and Aurora is has communicate shallow aquifer to fracture.
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Effect of overexploitation of the aquifer of the Hundido Valley and the impact on
the ecological reserve of the Cuatro Ciengas Valley of Coahuila, Mexico
The mountain range la Fragua on its put to frontal fault Trout, with the mountain range of the San Marcos;
the grudges of takeoff like the contact between the formations: Georgetown, Aurora, Peña and Cupido, produce hydraulic communication between the Hundido Valley and Cuatro Cienegas.
Analysis of the hydrologic balance used in the Valley of the Hundido rives basin was calculated using the following equations. Es + Vinf = Eext * As. Entrance by underground flow = 17.28x 106 m3/year. Infiltration
underground of the valley = 2.45x 106 m3/year. Extractions by pumping 21.6 x106 m3, Exits = 0 Therefore
the change of storage = -1.87x 106 m3 /year, this demonstrates that two years after initiating the project the
water –bearing one is over exploited.
Conclusion
In this paper , an accurate hydro geological, structure , geophysical ,hydraulic and geochemistry study in
the aquifer the Hundido Valley first analysis of the region were he can establish hypothesize that the subterranean karsts formation is communicated between valleys and aquatic systems by a series of cave tunnels giving
it a look of gigantic emmental cheese. The results of our study represent the essential database for the future
research regarding the assessment of groundwater resources vulnerability investigated overexploitation aquifer
in the region.
References
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Alejandro Durán Herrera, Jorge Maurilio Rivera Torres
Concreto para uso estructural, económico,
durable y sustentable con alto contenido de
ceniza volante
Alejandro Durán Herrera1, Jorge Maurilio Rivera Torres2
RESUMEN
En este trabajo se fabricaron doce series de concreto todas ellas con un mismo consumo de cemento de 150 kg/m3. En seis series de estas
se utilizo aditivo superfluidificante (SF)a base de naftaleno para obtener una reducción de agua del 35% y para dar una consistencia DIN de 55
± 2cm. Para la fabricación de las seis series sin aditivo SF y con aditivo SF se utilizaron consumos de ceniza volante en adición (CV) de 0, 30,
60, 90, 120 y 150% en masa con relación al peso del cemento. Conforme el consumo de CV se incrementaba la resistencia a la compresión se
incremento de manera significativa, excepto para contenidos de ceniza mayores a 120%, debido a que el contenido de agua no fue suficiente
para que se diera tanto la reacción de hidratación como la reacción puzolánica. Se lograron alcanzar resistencias a compresión con un consumo
de 150 kg/m3 de cemento y CV de 500 kgf/cm2 a los 28 días y 820 kgf/cm2 a un año. Se lograron reducciones significativas en la retracción por
secado, hasta del 77% por el efecto combinado de la CV y el aditivo SF.
Palabras claves: ceniza volante, compresión, reacción de hidratación, reacción puzolánica, retracción.
ABSTRACT
In this work we make twelve series of concrete, all with fixed cement consumptions of 150 kg/m3. In six of this series a naphthalene based
superplastificizer was used to obtain a water reduction of 35% and a DIN consistency of 55 ± 2cm. For the series with and without admixture
fly ash consumptions of 0, 30, 60, 90, 120 and 150%. Where used in addition to the cement content. The CV consumption was increased
significantly except of CV contents higher than 120% because the water content is not enough to have a complete pozzolanic reaction. For this
low cement concretes we obtained compressive strengths as high as 500 kgf/cm2 at 28 days and 820 kgf/cm2 at one year. The dry shrinkage
was diminishing, the CV content was increased. Significant reductions in the dry shrinkage where obtained, up to 77% by the combined effect
of CV and admixture SF.
Key words: fly ash, compressive, reaction of hydration, pozzolanic reaction, retraction
Introducción
El concreto es el material de construcción más utilizado en el mundo. Su producción, aparentemente muy
simple y aunque fundamentalmente para fabricarlo basta solo mezclar un producto cementante, agregados
y agua, es realmente muy complejo su comportamiento para la gran variedad de agregados y de productos
cementantes hidráulicos disponibles.
Se pueden producir una gran variedad de concretos con pesos volumétricos de 300 a 3000 kg/m3 y con
resistencias a la compresión que pueden variar de 50 a 2500 kgf/cm2 según sea requerido. Se dice que un
Profesor Investigador, Jefe del Departamento de Tecnología del Concreto. Facultad de Ingeniería Civil. U. A. N. L.
[email protected]
2
Profesor Asistente Investigador, Coordinador del Laboratorio del Departamento de Tecnología del Concreto. Facultad de Ingeniería Civil. U. A. N. L.
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Concreto para uso estructural, económico, durable y sustentable con alto
contenido de ceniza volante
concreto es eficiente cuando resulta de la resistencia deseada, y que es económico y durable cuando resulta
apropiado para las condiciones ambientales a las que estará expuesto.
Su principal propiedad mecánica, la resistencia a la compresión, hasta los años setentas estaba limitada
aproximadamente a 450 kgf/cm2 dado que el principal factor, la relación entre el agua y el cemento estaba
limitada a 0.45 por la incapacidad de la tecnología entonces existente para dar mayor fluidez sin aumentar la
relación A/Cementante. Los diseños estructurales tradicionales se orientaban a dimensionar por resistencia,
olvidando la vida útil de la obra; hasta que aparecieron los aditivos superfluidificantes, revolucionando así la
Tecnología del Concreto lo cual ayudo a lograr concretos de alto comportamiento muy fluidos y resistentes
y debido a esto el concreto empezó a ser empleado en la construcción de edificios altos o puentes que para
ese entonces generalmente se construían en acero.
En el concreto normal cuando esta fresco, el agua es esencial para obtener propiedades reológicas efectivas para su colocación; sin embargo, el exceso de agua de mezclado puede conducir a efectos perjudiciales
cuando el concreto no ha endurecido. Para mejorar las propiedades del concreto endurecido es necesario
reducir el contenido de agua. Esto es posible usando aditivos superfluidificantes (SF) para obtener un concreto más fluido, más trabajable al grado de producirlos autonivelables, sin necesidad de utilizar vibradores,
ahorrando mano de obra en la colocación y dejando los colados verticales libres de defectos superficiales.
Desde la invención del aditivo SF a base de naftaleno en Japón en los sesentas y después a base melamina en
Alemania, y más recientemente de tipo acrílico en Italia, muchas investigaciones sobre sus efectos han sido
realizadas y dadas a conocer en publicaciones internacionales, como en las organizadas por CANMET/ACI
(1, 2, 3, 4, 5 y 6) y otros.
La dispersión de partículas por el SF reduce el umbral del cortante de la pasta de cemento originando que
el concreto fluya. La trabajabilidad puede ser de una duración corta; sin embargo es posible obtener una duración práctica usando de manera combinada aditivos retardantes del fraguado (7). Por su forma esférica el uso
de ceniza volante aumenta la fluidez del concreto y en combinación con el aditivo SF se facilita la producción
de concretos autonivelables (8).
La retracción es una propiedad de la pasta, en el concreto el agregado tiene una influencia restrictiva en
los cambios volumétricos que tendrán lugar en la pasta. El término retracción por secado, es generalmente
empleado para el concreto en estado endurecido y representa las deformaciones causadas por la pérdida
de agua que se presenta en el concreto en estado endurecido. El no contemplar este efectúen las etapas de
diseño y construcción puede conducir a agrietamientos o alabeo de los elementos estructurales debido a las
restricciones presentes durante la retracción. El ejemplo más obvio es la necesidad de suministrar juntas de
contracción en pavimentos y losas (13).
En concreto, las investigaciones han sido orientadas en producir mezclas muy compactas para aumentar
la densidad y disminuir la permeabilidad con el fin. Esto se puede lograr añadiendo materiales cementantes
suplementarios (MCS), tal como la ceniza volante (CV), escoria o microsílica, que a su vez mejoran las propiedades reológicas de la mezcla en estado fresco (9, 10, 11 y 12).
El aspecto económico está relacionado con el consumo de cemento ya que normalmente éste es el ingre-
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diente más costoso, un exceso del mismo puede producir altas temperaturas al fraguar originando amplios
cambios volumétricos y la aparición de grietas; para minimizar este problema se han estado utilizando complementos cementantes que disminuyen el calor de hidratación, como es el caso de la ceniza volante que aparte
por ser un deshecho industrial contaminante al disponer de ella de manera definitiva como parte del concreto
este material se vuelve sustentable.
La durabilidad del concreto está relacionada fundamentalmente con la pasta de cemento, entre más impermeable sea ésta a los líquidos, gases y iones menos productos agresivos podrán ingresar al concreto y
atacarlo, con el uso de la ceniza volante se puede lograr densificar la pasta ya que por su forma y su finura se
aloja en los huecos entre las partículas de cemento y si además resulta reactiva se eficientiza el efecto densificador de la ceniza.
El presente trabajo se planteo para lograr concretos estructurales económicos con alta trabajabilidad y alta
resistencia mediante el uso de un aditivo superfluidificante. En este sentido la economía estará dada por los
bajos consumos de cemento (150kg/m3) inusuales en concretos convencionales estructurales y por la adición
de una ceniza volante (desecho industrial contaminante) con propiedades puzolanicas que ayuda a la densificación de la matriz cementante y a la trabajabilidad del concreto en estado fresco, aspectos que nos ayudan
a aumentar la durabilidad en un material sustentable.
Estudio experimental
El objetivo experimental de este estudio consistió en determinar el consumo óptimo de CV y aditivo SF
para obtener la máxima resistencia a la compresión en concretos con una consistencia de fluidez DIN de 55
± 2cm; el aditivo SF se usó como súper reductor de agua y fluidificante, la reducción de agua fue del 35%.
El aditivo SF fue considerado como parte del agua de reacción de la mezcla.
Cinco series de concretos fueron estudiadas; en todas ellas se empleo CV en diferentes cantidades, las cuáles fueron de 30, 60, 90, 120, y 150% en masa con respecto al consumo de cemento las cuales se identifican
como CV30, CV60, CV90, CV120 y CV150. Para este estudio se fijo un consumo de cemento Pórtland de
150 kg/m3 de concreto para todas las series y conforme se adicionaba la CV el contenido de agregado fino
era reducido proporcionalmente en volumen.
También se fabricaron otras cinco series para el mismo consumo de cemento y las mismas adiciones de ceniza pero con aditivo SF necesario para dar una fluidez DIN de 55 cm las cuales se identifican como CV30SF,
CV60SF, CV90SF, CV120SF y CV150SF. Además Se fabricó una mezcla de referencia (serie R) sin aditivo ni
CV, solo con cemento (150 kg/m3) buscando un concreto trabajable con una consistencia DIN de 55 cm,
lo cual arrojo una relación A/C de 1.34; Por último se fabrico esta misma serie pero con aditivo (serie RSF)
resultando una relación A/C de 0.87 para dar una fluidez DIN igual que la serie R de 55 cm.
Materiales
Se usó cemento Pórtland CPO 40 marca Monterrey (Tipo I según ASTM C 150). Las propiedades físicas y químicas son mostradas en la Tablas 1 y 2. El SF usado fue un naftaleno sulfonatado de formaldehído
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Concreto para uso estructural, económico, durable y sustentable con alto
contenido de ceniza volante
condensado marca ACON SF 1040 Tipo F según ASTM C 494M-99a y tipo I según ASTM C 1017-98. Se
usó ceniza volante Tipo F de carbón bituminoso producida en la planta carboeléctrica CFE de Río Escondido,
Coahuila, México. Las propiedades físicas y químicas son mostradas en la Tabla 1 y 2.
Los agregados empleados fueron de caliza triturada del área de Monterrey. El agregado fino con una densidad seca de 2.63, una absorción de 1.59% y un módulo de finura de 2.77. El agregado grueso con una
densidad seca de 2.6 y una absorción de 0.41%. Para las series en las que se esperaban resistencias a la compresión a los 28 días menores a 25 MPa, para optimizar el consumo de pasta se utilizo un tamaño máximo
nominal (tmn) de 38 mm, para resistencias entre 25 y 40 MPa se utilizo un tmn de 25 mm y para resistencias
mayores a 40 MPa se utilizo un tmn de 19 mm.
La consistencia del concreto es uno de los parámetros principales que controlamos en este trabajo. Es de
gran importancia que los valores medidos de la consistencia no se vean afectados por las variaciones en las
granulometrías de los agregados. Para evitar este problema y mantener la granulometría uniforme en cada
revoltura, los agregados finos y gruesos fueron separados inicialmente en sus diferentes tamaños de acuerdo a
ASTM C 33, posteriormente fueron combinados en las cantidades requeridas para dar la granulometría específica seleccionada en cada revoltura. La granulometría seleccionada fue la típica de la ciudad de Monterrey,
N. L. México y se muestran en las Tablas 3 y 4.
Proporciones de la mezcla
Todas las proporciones con sus correspondientes relaciones A/(C + CV) se muestran en las Tablas 5 y 6.
Procedimiento de mezclado
Para las mezclas de concreto se usó una máquina mezcladora de flujo de contracorriente marca Eirich. El
tambor gira a 46 r.p.m. en el sentido de las manecillas del reloj y en el interior las paletas giran a 425 r.p.m.
contrario a las manecillas del reloj.
Las revolturas fueron hechas de la siguiente manera: primero se introdujeron en el tambor los agregados
con el agua de absorción, luego se inicio el mezclado de estos materiales por un tiempo de 30 s, sin parar
la máquina se adiciono el agua de mezclado, el cemento y la ceniza volante y se mezclo continuamente durante 1 minuto, al terminar este tiempo se dejo reposar durante 1 minuto. Después de este tiempo se inicio
nuevamente el mezclado durante 1 minuto añadiéndose el aditivo superfluidificante sin parar la máquina y al
final se descarga.
Propiedades del concreto fresco
La mesa de fluidez DIN se utilizó para medir la consistencia y el método ASTM C 143-00 para determinar
el revenimiento. La temperatura del concreto fue medida de acuerdo a ASTM C 1064-01, y el contenido de
aire atrapado se midió empleando el método de presión ASTM C 231-97 Tipo B. Los resultados se muestran
en las Tabla 7 y 8.
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Sangrado, tiempo de fraguado y perdida de consistencia
El sangrado se observó solo en la mezcla de concreto de referencia y en las demás mezclas en las que no
se adicionó aditivo superfluidificante; en las otras mezclas en las que se adicionó el aditivo superfluidificante
no se presentó sangrado apreciable. Los tiempos de fraguado se determinaron de acuerdo a ASTM C 40399. Los tiempos de fraguados se aparecen en la tabla 9. La pérdida de consistencia fue determinada usando
la prueba de revenimiento en todas las mezclas, los resultados se muestran en la figura 1.
Colado, curado de especimenes y retracción por secado
Para el colado de los especimenes se utilizaron moldes de lámina de acero siguiendo el procedimiento
descrito en ASTM C 192M-02 y para el ensaye a compresión se siguió el procedimiento descrito en ASTM
C 39-01. Para los especimenes en los que se esperaba obtener una resistencia a la compresión menor de 25
MPa como es el caso de las series R, CV30 y CV60 se usaron moldes cilíndricos de 15 cm de diámetro y de
30 cm de altura; y cuando se esperaba obtener concreto con resistencias mayores a 25 MPa se usaron moldes
cilíndricos de 10 cm de diámetro y 20 cm de altura. Para obtener la resistencia promedio a la compresión se
ensayaron tres especimenes a cada edad. El curado se hizo siguiendo el procedimiento descrito en ASTM C
511-98. Para determinar la retracción por secado se fabricaron prismas de concreto de 7,5 cm x 7,5 cm x
28,0 cm y se siguió el método establecido según ASTM C 157-99.
Comentarios
Todos los proporcionamientos se ajustaron para dar una consistencia de fluidez DIN de 55 ± 2cm. La
temperatura en el cuarto de fabricación fue de 23,5 °C a 27,5 °C y en los concretos sin aditivo SF y con
aditivo SF se presentaron temperaturas entre 26,5 °C y 30 °C y entre 30 °C y 34 °C respectivamente como
aparecen en las tablas 7 y 8, el aumento en la temperatura de los concretos con aditivo SF puede ser atribuible a que al ir aumentando el consumo de CV va disminuyendo la relación A/C+CV y a la vez a que hay
un aceleramiento de la reacción de hidratación al aumentar el consumo de aditivo SF, ya que al actuar como
dispersante hay más superficie de cementante (cemento + CV) disponible para reaccionar con el agua. El
contenido total de aire en los concretos con aditivo SF aumento entre de 0,5% a 1% con respecto a los concretos en los que no se utilizó el aditivo SF, lo cual indica que el uso de este aditivo tuvo como consecuencia
un pequeño aumento en el aire total del concreto sin afectar en forma adversa al desarrollo de la resistencia
a la compresión como se puede observar en las tablas 7, 8, 10 y 11.
En los tiempos de fraguado inicial que aparecen en la tabla 9 se puede observar la influencia de los consumos bajos de CV (series CV30 y CV60), ya que el tiempo de fraguado inicial aumenta con respecto al concreto de referencia (serie R). Para las series CV 90, CV120 y CV150 los tiempos de fraguado inicial disminuyen
con respecto a la serie R, esto puede ser debido a que al ir aumentando el consumo de CV disminuye al mismo
tiempo la relación A/C+CV; para los tiempos de fraguado final se presenta la misma tendencia. En el caso de
los concretos con aditivo SF se observa un aumento en los tiempos de fraguado inicial y final con respecto a
los concretos en los que no se empleo aditivo SF, esto se puede deber a que al ir aumentando el consumo de
aditivo SF y de manera simultanea el consumo de CV dan como consecuencia un retardo en dichos tiempos,
los cuales para fines prácticos resultan no ser significativos.
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Concreto para uso estructural, económico, durable y sustentable con alto
contenido de ceniza volante
Los resultados de pérdida de revenimiento que aparecen en la figura 1, observamos como al aumentar el
contenido de aditivo SF aumenta la pérdida de revenimiento, no obstante el beneficio que resulta al aumentar
el consumo de ceniza volante. Para adiciones de ceniza volante arriba de 120% la pérdida es más pronunciada.
La serie R presento la más alta deformación debida a la retracción por secado (1473 micro deformaciones)
a una edad de 68 semanas, con relación a este valor, el uso de la CV origino una reducción de la retracción
por secado de 1038 micro deformaciones para la serie CV150, el uso del aditivo SF origino una reducción de
740 miro deformaciones para la serie RSF y el uso de CV mas aditivo SF origino una reducción de 1139 micro
deformaciones par la serie CV150SF, estos valores representan reducciones de 70, 50 y 77% respectivamente
a la edad de 68 semanas (ver figuras 2 y 3).
En la figuras 2 y 3 se observa como al ir aumentando el consumo de ceniza volante las retracciones por
secado van disminuyendo, esto es posible a que al ir aumentando el consumo de CV al mismo tiempo se va
disminuyendo la relación A/C+CV, por lo que hay menos agua.
En las figuras 4 y 5 se observan el desarrollo de resistencia a la compresión de los concretos con las diversas adiciones de ceniza volante; específicamente en la figura 5 se puede apreciar que la máxima resistencia
se alcanza con una adición de ceniza volante de 120%. En las series CV150 y CV150SF la resistencia a la
compresión fue menor, esto es atribuible al bajo consumo de agua que no alcanza a saturar todas las partículas
del cemento para que se produzca el efecto puzolánico. Para 120% de ceniza volante la relación A/C+CV
resulto ser de 0.4.
El uso de grandes volúmenes de CV incrementa la durabilidad del concreto al aumentar la impermeabilidad
atribuible a que las partículas finas de CV se alojan en los espacios entre las partículas de cemento y al contribuir a reducir el sangrado en la zona de transición pasta-agregado es más resistente. Aunado a esto reduce
la generación de calor de hidratación, aumenta la resistencia a la acción de los sulfatos y aparte se obtiene un
producto sustentable ya que la CV es un desecho industrial contaminante. El uso de la ceniza volante ayuda
aumentar la trabajabilidad y disminuye la pérdida de revenimiento.
Conclusiones
Para la serie R, la resistencia a la compresión a los 28 días fue de 75 kgf/cm2, al ir aumentando tanto la CV
como el aditivo SF para la consistencia de 55 ± 2cm DIN, la resistencia a la compresión se fue incrementando
hasta un valor máximo de 820 kgf/cm2, lo cual representa un incremento de 1093 para la serie CV120SF,
la cual resulto ser la que presento el mejor comportamiento, ya que la serie CV150SF presento resistencias
inferiores, posiblemente debido a el poco consumo de agua que no alcanza a saturar las partículas de cemento
para que se produzca de manera adecuada la reacción de hidratación del cemento Pórtland y el consiguiente
efecto puzolánico, además para esta serie los problemas en la pérdida de revenimiento fueron significativos.
Entre menor sea la retracción por secado, menor es el potencial de agrietamientos en un concreto, en este
sentido, los resultados de retracción por secado ilustran claramente el beneficio de utilizar la CV y el aditivo
SF en el concreto, ya sea solos o combinados. Con relación a los resultados obtenidos para la serie R, para las
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condiciones de este estudio a la edad de 68 semanas, en este sentido el uso de la CV arrojo una reducción
máxima de 70% para las serie CV150, el uso de aditivo SF arrojo una reducción máxima de 50% para la serie
RSF y en conjunto la CV y el aditivo SF arrojaron una reducción máxima de 77% para la serie CV150SF.
Aunque el consumo de cementante total aumenta de 150 kg/m3 a 375 kg/m3, el costo del cementante
es mucho más bajo, ya que la ceniza volante es mucho mas barata que el cemento Pórtland, incluyendo el
transporte de la ceniza volante a la ciudad de Monterrey el cual es de aproximadamente el 10% del costo del
cemento.
Referencias
1
2
3
4
5
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8
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Concreto para uso estructural, económico, durable y sustentable con alto
contenido de ceniza volante
Tabla 1. Propiedades Físicas del Cemento Pórtland y de la Ceniza Volante
Cemento Pórtland
CPO 40 (Tipo I ASTM)
Ceniza Volante*
Clase F ASTM
Finura:
% que pasa 45 µm
Blaine, m2/kg
Gravedad específica
---399
3.1
56 – 60
2.35 – 2.40
Tiempo de Fraguado:
Prueba Guillmore:
Fraguado inicial, min
Fraguado final, min
Prueba de Vicat, min
95
184
88
Resistencia a la compresión
En cubos de 50 mm , MPa
3 días
7 días
28 días
26.5
32.1
40.5
Propiedades Físicas
Índice de Actividad de Resistencia
con Cemento Pórtland, %
7 días
73 – 76
28 días
74 – 77
Tabla 2. Análisis Químico del Cemento Pórtland y de la Ceniza Volante
Análisis Químico, %
Cemento Pórtland
CPO 40 (Tipo I ASTM)
Ceniza Volante*
Clase F ASTM
Dióxido de silicio (SiO2)
19.6
59.6 – 62.2
Oxido de aluminio (Al2O3)
4.9
25.7 – 29.9
Oxido férrico (Fe2O3)
2.2
4.2 – 2.5
Oxido de calcio (CaO)
64.6
1.2 – 2.5
Oxido de magnesio (MgO)
1.6
0.4 – 0.9
Trióxido de azufre (SO3)
3.3
0.3 – 1.5
Oxido de Sodio (Na2O)
0.26
0.6 – 1.4
Oxido de Potasio (K2O)
0.79
0.5 – 1.1
Oxido de titanio (TiO2)
0.21
0.9 – 1.0
Oxido de fósforo (P2O5)
0.1
0.1 – 0.4
Oxido de manganeso (Mn2O5)
0.04
Cal libre
2.81
Pérdida por Ignición
2.8
1.5 – 1.6
Principales Compuestos Potenciales del Cemento
46
C3S
68.6
C2S
4.4
C3A
9.3
C4AF
6.7
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Tabla 3. Granulometría empleada para concretos sin aditivo superfluidificante
Granulometría de finos
Granulometría de gruesos
% que pasa
Para todas
Las series
Malla
#
% que pasa para
Malla
#
Series R,
CV30 y CV60
3/8”
100
2”
100
4
97.5
1 ½”
97.5
8
90
1”
67.1
Series CV90, CV120
Y CV150
100
16
67.5
¾”
52.5
95
30
42.5
½”
30.3
55.7
50
20
3/8”
20
37.5
10
6
4
2.5
5
8
Módulo de finura = 2.77
2.5
Tamaño máximo
2”
1”
T. Máx. Nominal
1 ½”
¾”
Tabla 4. Granulometría empleada para concretos con aditivo superfluidificante
Granulometría de finos
Granulometría de gruesos
Malla
#
% que pasa
Para todas
Las series
3/8”
100
4
97.5
% que pasa para
Malla
#
Series RSF
CV30SF y CV60SF
1 ½”
Series CV90SF,
CV120SF y CV150SF
100
8
90
1”
97.5
100
16
67.5
¾”
71.1
95
30
42.5
½”
42.5
55.7
50
20
3/8”
28
37.5
10
6
4
5
5
8
2.5
2.5
Tamaño máximo
1 ½”
1”
T. Máx. Nominal
1”
¾”
Módulo de finura = 2.77
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Concreto para uso estructural, económico, durable y sustentable con alto
contenido de ceniza volante
Tabla 5. Resumen de proporciones de los concretos sin aditivo superfluidificante
Ceniza Volante
Series
Cemento
Kg/m3
Kg/m3
%
Cementante*
Kg/m3
Agua Total
L/m3
A. Grueso
Kg/m3
A. Fino
Kg/m3
Rel.
A/C**
Rel.
A/C+CV***
R
150
0
0
150
220
878
1061
1,34
1,34
CV30
150
45
30
195
220
882
1015
1,34
1,03
CV60
150
90
60
240
220
885
968
1,34
0,84
CV90
150
135
90
285
220
947
914
1,34
0,71
CV120
150
180
120
330
219
944
859
1,34
0,61
CV150
150
225
150
375
216
943
810
1,34
0,54
* Cementante = Cemento Pórtland CPO 40 + Ceniza Volante
** A/C; Relación Agua/Cemento Pórtland
*** A/C+CV; Relación Agua/Cementante
Tabla 6. Resumen de proporciones de los concretos con aditivo superfluidificante
Cemento
Kg/m3
Series
Ceniza Volante
Kg/m3
Cementante*
%
Kg/m3
Agua Total
L/m3
Aditivo
Contenido de Sólidos
Kg/m3
%
A. Grueso
Kg/m3
A. Fino
Kg/m3
Rel.
A/C**
Rel.
A/C+CV***
RSF
150
0
0
150
147,6
1,88
1,25
962
1158
0,87
0,87
CV30SF
150
45
30
195
145,8
2,4
1,23
956
1098
0,87
0,67
CV60SF
150
90
60
240
143,5
3,04
1,27
966
1052
0,87
0,54
CV90SF
150
135
90
285
142,4
3,52
1,24
974
991
0,87
0,46
CV120SF
150
180
120
330
137,7
5,28
1,60
987
944
0,87
0,40
CV150SF
150
225
150
375
118,4
12,48
3,33
1041
890
0,87
0,35
* Cementante = Cemento Pórtland CPO 40 + Ceniza Volante
** A/C; Relación Agua/Cemento Pórtland
*** A/C+CV; Relación Agua/Cementante
Tabla 7. Propiedades del concreto fresco para todas las series de concreto sin aditivo superfluidificante
48
Serie
Revenimiento
(cm)
DIN
(cm)
Aire
(%)
Temperatura
Concreto (°C)
Temperatura cuarto
de mezclas (°C)
R
19,5
55
1,2
29,0
27,5
CV30
20,0
57
0,8
26,5
22,0
CV60
21,0
52
0,9
26,5
22,5
CV90
17,0
53
1,0
27,5
24,0
CV120
18,0
52
1,4
28,0
24,0
CV150
15,0
50
1,4
30,0
25,0
CIENCIA FIC
No.1
Enero - Abril 2007
Alejandro Durán Herrera, Jorge Maurilio Rivera Torres
Tabla 8. Propiedades del concreto fresco para todas las series de concreto con aditivo superfluidificante
Serie
Revenimiento
(cm)
DIN
(cm)
Aire
(%)
Temperatura
Concreto (°C)
Temperatura cuarto
de mezclas (°C)
RSF
23,0
57
1,6
30
23,5
CV30SF
20,0
53
2,0
31
23,5
CV60SF
22,5
56
1,9
31
23,0
CV90SF
20,0
54
2,2
33
24,0
CV120SF
22,0
57
2,0
33
23,5
CV150SF
17,0
55
1,9
34
24,0
Tabla 9. Tiempos de fraguado inicial y final para todas las series de concreto
Serie
Rel. A/C
Rel. A/C+CV
Tiempo de fraguado inicial
(minutos)
Tiempo de Fraguado final
(minutos)
R
1,34
1,34
283
418
RSF
0,87
0,87
142
228
CV30
1,34
1,03
320
514
CV30SF
0,87
0,67
177
273
CV60
1,34
0,84
328
493
CV60SF
0,87
0,54
230
324
CV90
1,34
0,71
268
400
CV90SF
0,87
0,46
263
353
CV120
1,34
0,61
253
372
CV120SF
0,87
0,40
330
458
CV150
1,34
0,54
189
287
CV150SF
0,87
0,35
320
490
Tabla 10. Desarrollo de resistencias a la compresión de las series de concreto sin aditivo superfluidificante
Serie
Resistencia a la Compresión en MPa
3 días
7 días
14 días
28 días
56 días
180 días
360 días
R
4,1
4,9
6,6
7,3
8,8
11,2
13,6
CV30
4,4
5,5
7,5
9,7
11,5
18,9
21,1
CV60
4,5
5,9
7,8
10,4
13,3
20,3
24,2
CV90
5,8
6,8
9,7
12,0
17,8
23,6
25,2
CV120
6,6
8,3
11,4
18,0
20,5
27,7
30,1
CV150
6,0
7,6
12,4
14,9
20,2
25,7
28,5
CIENCIA FIC
No.1
Enero - Abril 2007
49
Concreto para uso estructural, económico, durable y sustentable con alto
contenido de ceniza volante
Tabla 11. Desarrollo de resistencias a la compresión de las series de concreto con aditivo superfluidificante
Resistencia a la Compresión en MPa
Serie
3 días
7 días
14 días
28 días
56 días
180 días
360 días
RSF
15,3
17,4
18,7
21,4
24,4
29,9
31,3
CV30SF
15,8
15,9
20,4
27,2
31,8
40,3
46,1
CV60SF
15,4
17,4
23,4
33,0
42,2
46,6
50,0
CV90SF
15,1
20,9
29,4
39,9
48,4
66,1
72,3
CV120SF
17,0
23,7
36,4
48,5
62,1
74,7
80,4
CV150SF
15,0
20,7
29,8
43,4
53,2
63,3
70,3
25
Revenimiento, cm.
20
serie RSF
serie CV30SF
serie CV60SF
serie CV90SF
serie CV120SF
serie CV150SF
15
10
5
0
0
10
20
30
40
50
60
70
80
Tiempo, min.
Fig. 1 Pérdida de revenimiento para las distintas series de concreto con aditivo superfluidificante
50
CIENCIA FIC
No.1
Enero - Abril 2007
90
Alejandro Durán Herrera, Jorge Maurilio Rivera Torres
Edad en semanas
0
7
14
21
28
35
42
49
56
63
70
-0.02
% de retracción
-0.05
-0.08
-0.11
Serie R
Serie CV30
-0.14
Serie CV60
Serie CV 90
Serie CV 120
Serie CV 150
-0.17
-0.2
Fig. 2 Desarrollo de las retracciones por secado para las distintas series de concreto sin aditivo superfluidificante
Edad en semanas
0
0
7
14
21
28
35
42
49
56
63
70
-0.01
-0.02
% de retracción
-0.03
-0.04
-0.05
-0.06
Serie RSF
Serie CV30SF
-0.07
Serie CV60SF
Serie CV90SF
-0.08
Serie CV120SF
Serie CV150SF
-0.09
-0.1
Fig. 3 Desarrollo de las retracciones por secado para las distintas series de concreto con aditivo superluidificante
CIENCIA FIC
No.1
Enero - Abril 2007
51
Concreto para uso estructural, económico, durable y sustentable con alto
contenido de ceniza volante
80
Resistencia a la compresión en MPa
70
Serie R
60
Serie CV30
Serie CV60
Serie CV90
50
Serie CV120
Serie CV150
40
30
20
10
0
0
25
50
75
100 125 150 175 200 225 250 275
300 325 350 375
Edad en Días
Fig. 4 Desarrollo de las resistencias a la compresión para las distintas series sin aditivo Superfluidificante
90
80
Resistencia a la compresón en MPa
70
60
50
40
30
Serie RSF
Serie CV30SF
20
Serie CV60SF
Serie CV90SF
Serie CV120SF
10
Serie CV150SF
0
0
25
50
75
100
125
150
175
200
225
250
275
300
325
350
375
Edad en Días
Fig. 5 Desarrollo de las resistencias a la compresión para las distintas series con aditivo Superfluidificante
52
CIENCIA FIC
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Enero - Abril 2007
Mauro Maldonado Chan, Dr. Rafael Gallegos López, M.C. Federico López Vázquez,
Ing. Juan Antonio Sandoval Cortina, Dr. Mauricio Cabrera Ríos
Hacia un sistema automático de aforo vehicular basado en secuencias de video y redes neuronales artificiales
Mauro Maldonado Chan1, Dr. Rafael Gallegos López2, M.C. Federico López Vázquez2,
Ing. Juan Antonio Sandoval Cortina2, Dr. Mauricio Cabrera Ríos1
RESUMEN
En este trabajo se presenta un sistema automático de conteo y clasificación vehicular. El sistema hace uso de infraestructura y tecnología
existente en el área metropolitana de Monterrey. Técnicas de procesamiento de imágenes, aplicadas a secuencias de video obtenidas a través
de una cámara de video, fueron utilizadas para la detección y el conteo vehicular. El problema de clasificación vehicular fue resuelto utilizando
modelos de Redes Neuronales Artificiales (RNAs).
La metodología propuesta fue probada en dos secuencias de video de cinco y noventa minutos obteniendo resultados prometedores y sentando una buena base en la aplicación del sistema propuesto. La información que se puede generar con este sistema tiene muchas aplicaciones
en el área del transporte incluyendo la programación del mantenimiento asfáltico, estimación de emisión de gases, estudio y diseño de la
infraestructura vial, mejoramiento del flujo vehicular, entre otras.
ABSTRACT
In this work an automatic system of vehicle counting and classification based on existing infrastructure and technology available in the
metropolitan area of Monterrey. Image processing techniques applied to video sequences obtained through a camcorder were used for the vehicle
detection and counting. The vehicle classification problem was solved through models of Artificial Neural Networks (ANN).
The proposed methodology was tested using two video sequences of five and ninety minutes with promising results and seating a good
base in the application of the proposed system. The information gathered through this process has many applications in the transportation area
including the programming of the asphalt maintenance, estimation of gas discharge, study and design of the road infrastructure, improvement
of the vehicle flow, among others.
Introducción
El tráfico vehicular en zonas urbanas presenta retos muy diversos en la toma de decisiones dentro de
áreas que incluyen desde el control instantáneo hasta la construcción de grandes obras de infraestructura.
La caracterización vehicular, definida como el conteo, la clasificación y la identificación de la dirección de los
vehículos, puede aportar información muy útil para mejorar la toma de decisiones inherente.
Posgrado en Ingeniería de Sistemas (PISIS), Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica, Universidad Autónoma de Nuevo León, Monterrey, Nuevo León,
66450, México.
2
Departamento Ingeniería de Tránsito, Instituto de Ingeniería Civil, Facultad de Ingeniería Civil, Universidad Autónoma de Nuevo León, Monterrey, Nuevo León,
66450, México.
1
CIENCIA FIC
No.1
Enero - Abril 2007
53
Hacia un sistema automático de aforo vehicular basado en secuencias de video
y redes neuronales artificiales
Actualmente esta caracterización vehicular se hace por medio de censos visuales de aproximadamente
una hora en varias intersecciones del área metropolitana de Monterrey. Sin embargo, este procedimiento es
afectado por el error humano que a su vez proviene de fuentes que incluyen desde el descuido momentáneo
hasta impedimentos de tipo físico.
Los estudios de clasificación y conteo vehicular constituyen un elemento importante en los procesos de
planeación y diseño de la construcción, ampliación y modernización de la infraestructura. Como se sabe, estos procesos son de un gran impacto económico y la inversión que requieren debe estar basada en estudios
sólidos con información confiable.
Metodología
En este trabajo el problema se ha dividido en dos partes: detección vehicular para la estimación de características que describan la presencia de un vehículo y clasificación vehicular a partir de un análisis de las
mismas.
La detección y el conteo vehicular se realiza a través de visión computarizada; esto es, el procesamiento de imágenes de salida de una cámara de video montada en una intersección para detectar y contar los
vehículos que transitan por la misma. La detección vehicular nos permite extraer parámetros que describen
las características físicas vehiculares. De esta manera, son estas características vehiculares las que sirven de
entrada a una RNA para obtener así la clasificación vehicular. La metodología aquí propuesta se muestra esquemáticamente en la Figura 1. De acuerdo con esta figura, las imágenes de salida de una cámara de video
montada en una intersección se almacenarán y procesarán fuera de línea en una computadora personal. Los
parámetros se representarán para su uso conveniente por una red neuronal artificial, la cual es inicialmente
entrenada y posteriormente utilizada para realizar la clasificación vehicular. Los detalles de este desarrollo se
pueden consultar en [1].
Figura 1. Proceso para la clasificación vehicular automatizada.
La detección vehicular es solamente un paso preliminar en la tarea de clasificación. Por otra parte, dado
al gran número de tamaños y formas de los vehículos dentro de una misma categoría, es difícil categorizar
vehículos usando parámetros simples. Esta tarea es aún mucho más difícil cuando se contemplan múltiples
categorías de clasificación. La decisión de usar RNAs obedeció, dentro de varias razones, a que se ha demos-
54
CIENCIA FIC
No.1
Enero - Abril 2007
Mauro Maldonado Chan, Dr. Rafael Gallegos López, M.C. Federico López Vázquez,
Ing. Juan Antonio Sandoval Cortina, Dr. Mauricio Cabrera Ríos
trado que éstas son especialmente robustas en la tarea de clasificación de información con ruido.
Para propósitos de este proyecto se decidió trabajar con un esquema de clasificación de tres categorías:
vehículo pequeño, vehículo mediano y vehículo grande. La clase vehicular definida como pequeña está compuesta exclusivamente de todos los automóviles identificados por sus fabricantes como de tipo ligero. Los
vehículos medianos comprenden todas las vans, SUVs, camionetas y pickups, entre otras. Por último, los
autobuses de transporte y todos los trailers y semitrailers constituyen la clase vehicular grande.
El esquema de clasificación propuesto obedece a la conocida relación entre el desgaste del pavimento y las
dimensiones y el peso vehicular. Se sabe que la mayor parte de los métodos de diseño de pavimentos requiere
de un conocimiento previo de la clasificación vehicular [2] para determinar el peso bruto vehicular según el
tipo de camino y con ello, calcular el daño producido por los vehículos. Estudios técnicos del Instituto Mexicano del Transporte reportan que existe una relación directa entre el deterioro del pavimento y características
vehiculares como el tipo de vehículo, la velocidad de circulación, el nivel de carga y características de rigidez
y amortiguamiento de la suspensión [3].
Resultados
La metodología aquí propuesta fue probada en dos secuencias de video con una duración de cinco y noventa minutos respectivamente. Éstas fueron digitalizadas sin sonido a una resolución de 352 x 240 pixeles
en formato AVI a una tasa de 30 cuadros/segundo. Se utilizó una cámara de video marca Elbex modelo EX/
C100/6 para grabar el flujo de tránsito de la intersección Gómez Morín - Vasconcelos del municipio de San
Pedro Garza García del área metropolitana de Monterrey. La tasa de frecuencia de procesamiento de imagen
fue de quince cuadros. En ambos casos se realizó el conteo y la clasificación visual para propósitos de comparación contra el sistema automático presentado en esta tesis.
Los videos de cinco y noventa minutos fueron tomados respectivamente como ejemplos de: 1) un problema de laboratorio y 2) de un problema real al que sería enfrentado el clasificador. Al analizar una secuencia de
video manejable se obtuvo una mayor visión del comportamiento del clasificador basado en RNAs. Por otra
parte, un problema real es presentado con la secuencia de video de noventa minutos.
Ya que los esquemas de clasificación usados por diferentes investigadores difieren del presentado en esta
trabajo, es difícil comparar los algoritmos de clasificación basándose solamente en las tasas de clasificación
pues, en un sentido, diferentes tecnologías producen esquemas de clasificación que son más apropiados para
un tipo particular de señal detectada.
Secuencia de video de cinco minutos
Un total de 8995 cuadros componen esta secuencia de video capturada el jueves 27 de Abril de 2006
a las 15:00 p.m. con un flujo de tránsito moderado. El tiempo de ejecución para el proceso de detección
y conteo vehicular fue de 1008 segundos. La clasificación vehicular tardó solamente 28 segundos. Esto es
aproximadamente 17 minutos para ambos procesos.
CIENCIA FIC
No.1
Enero - Abril 2007
55
Hacia un sistema automático de aforo vehicular basado en secuencias de video
y redes neuronales artificiales
Conteo vehicular en secuencia de video de cinco minutos
Para propósitos de comparación todos los vehículos fueron contados y clasificados visualmente en la secuencia de video. La tabla 1 muestra una comparación del proceso de conteo visual contra la automatización
del mismo proceso.
Tabla 1. Conteo y clasificación vehicular visual vs. automático en secuencia de video de cinco minutos
Conteo Visual
Conteo Automático
% Conteo
Vehículo Pequeño
197
211
107.10%
Vehículo Mediano
41
39
95.12%
Vehículo Grande
3
0
0%
Total
241
250
103.73%
Aunque la tasa de clasificación es aceptable se encontraron problemas en el proceso de detección y conteo vehicular. Debido al tamaño manipulable de la secuencia de video se realizó un análisis de los problemas
encontrados. Dos problemas principales se identificaron en el proceso de detección y conteo vehicular: un
automóvil se detecta más de una vez o de lo contrario no es detectado. Como se presenta en la tabla 2, de
los 250 automóviles detectados, 32 vehículos fueron detectados en dos ocasiones y otros 23 no fueron detectados. Al realizar las operaciones aritméticas pertinentes (restar los automóviles repetidos y sumar los que
no fueron detectados) se valida el valor obtenido en la detección visual, 241.
Tabla 2. Validación del conteo vehicular visual en secuencia de video de cinco minutos.
Estado
Cantidad
Detectados
250
Doblemente Detectados
32
No Detectados
23
Total Final
241
El error de detección vehicular doble se debió principalmente al proceso de comparación entre cuadros
utilizado en la detección vehicular. Los resultados muestran que la comparación entre cuadros está altamente
influenciada por la velocidad de los vehículos. Vehículos que presentan una velocidad muy lenta tienen una
probabilidad alta de ser detectados doblemente.
En el problema de no-detección vehicular varias razones fueron reportadas como se muestra en la tabla 3:
pixeles compartidos, por estar unido al borde, por número de pixeles y por estar unido a otro vehículo.
En los catorce casos de error de no-detección vehicular debido a pixeles compartidos se debió a vehículos
justo detrás de otro vehículo detectado anteriormente. En este caso, el sistema considera que es el mismo
vehículo y lo discrimina debido al proceso de comparación entre cuadros.
El proceso de eliminación de objetos unidos a los bordes se lleva a cabo para evitar segmentar vehículos
parcialmente ocultos. Sin embargo, ya que los extremos de la carretera están unidos a los bordes de la imagen,
56
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Enero - Abril 2007
Mauro Maldonado Chan, Dr. Rafael Gallegos López, M.C. Federico López Vázquez,
Ing. Juan Antonio Sandoval Cortina, Dr. Mauricio Cabrera Ríos
si un vehículo se detecta unido al extremo de la carretera, el sistema lo discriminará como un solo objeto,
como sucedió en siete ocasiones en este video.
El sistema presentado elimina de manera predeterminada todos los objetos detectados cuya área total
sea menor a 300 pixeles. Este valor fue fijado empíricamente presentando buenos resultados. La razón para
realizar esta discriminación es evitar el conteo de personas, bicicletas u otros objetos que pudieran atravesar
el área de interés. Si el vehículo es detectado en un punto extremo de la imagen por efectos de la perspectiva
es probable que el número total de pixeles en su área sea menor a 300. Sin embargo este error solamente
sucedió en una ocasión para este video.
El último tipo de error identificado fue la combinación de dos vehículos extremadamente juntos. Si dos
vehículos están muy próximos el uno con el otro, el sistema los considerará como un solo objeto. Este error
se presentó en una sola ocasión en esta prueba.
Una posible solución para los errores presentados en el proceso de detección y proceso vehicular es la integración de un sistema de rastreo vehicular desarrollado a través del bloque para procesamiento de imágenes
y video del lenguaje MatLab. Este desarrollo queda entonces como un problema a resolver en el futuro.
Clasificación vehicular en secuencia de video de cinco minutos
Como es fácil darse cuenta, el proceso de clasificación vehicular se ve altamente influenciado por los resultados arrojados durantes el proceso de detección y conteo.
En la figura 2 se presenta la matriz de clasificación arrojada por la RNA. En esa matriz, 9 de 211 vehículos pequeños fueron clasificados como medianos, mientras 23 de 39 vehículos medianos fueron clasificados
como pequeños.
Es importante hacer notar que el error de clasificación sólo se presentó entre clases adyacentes.
Figura 2. Matriz de clasificación vehicular para secuencia de video de cinco minutos.
CIENCIA FIC
No.1
Enero - Abril 2007
57
Hacia un sistema automático de aforo vehicular basado en secuencias de video
y redes neuronales artificiales
Los errores de clasificación se debieron principalmente a errores en el proceso de detección vehicular.
También en la figura 6.2, se presenta que el 87.20% de los vehículos fueron clasificados correctamente. Al
dividir por clases, 95.73% de los vehículos pequeños fueron clasificados correctamente, mientras que para el
caso de los medianos la tasa es de 41.02%.
Es importante mencionar que en este estudio el conjunto de entrenamiento para la RNA comprende un
80% de los datos, mientras que los conjuntos de de validación y de prueba son del 10% cada uno. Esta división de conjuntos fue tomada como prueba. Por último, conocer el error conjunto de conteo y de clasificación
es deseable y se deja como parte del trabajo a desarrollarse a futuro.
Secuencia de video de noventa minutos
Esta secuencia de video está compuesta de 165,098 cuadros y fue capturada el jueves 7 de Septiembre
de 2006 a las 16:47 p.m. con un flujo de tránsito moderado. La secuencia de video fue dividida en tres subsecuencias de treinta minutos cada una, debido a la complejidad de procesar tal número de cuadros en una
sola operación. De tal manera, la primera media hora de video contiene 55,651 cuadros y reportó un tiempo
de ejecución para el proceso de detección y conteo vehicular de 3,011 segundos. A su vez, la segunda media
hora de video comprende 53,611 cuadros con un tiempo de ejecución de 3,470 segundos para el mismo
proceso. La tercera media hora de video está compuesta de 55,836 cuadros y reportó un tiempo de 4,272
segundos para llevar a cabo el mismo proceso. Así, el tiempo de procesamiento final para la detección y el
conteo vehicular reportado para la secuencia de video de noventa minutos es de 10,753 segundos.
Finalmente, la clasificación vehicular se llevó a cabo en 88 segundos. Al final, el procesamiento total de
esta secuencia de video fue de tres horas aproximadamente para ambos procesos.
Conteo vehicular en secuencia de video de noventa minutos
De la misma manera que en la secuencia de video de cinco minutos, todos los vehículos fueron contados
y clasificados visualmente. Un total de 1625 vehículos fueron detectados y contados en el primer segmento
de media hora. Para el segundo y tercer segmento, el proceso arroja un conteo de 1572 y 1671 vehículos
respectivamente. La tabla 4 muestra una comparación del proceso de conteo visual contra la automatización
del mismo proceso para la secuencia de video completa.
Tabla 4. Conteo y clasificación vehicular visual vs. Automático en secuencia de video de noventa minutos.
Conteo Visual
Conteo Automático
% Conteo
Vehículo Pequeño
3,076
3,146
102.27%
Vehículo Mediano
1,811
1,700
93.87%
Vehículo Grande
62
22
35.48%
Total
4,949
4,868
98.36%
Como se puede ver en la tabla 4, 98.36% de los vehículos fueron detectados por el detector vehicular automático. La menor tasa de detección corresponde a la clase vehicular grande y esto es debido a la dificultad
de contener totalmente en el área de interés los vehículos en cuestión.
58
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Mauro Maldonado Chan, Dr. Rafael Gallegos López, M.C. Federico López Vázquez,
Ing. Juan Antonio Sandoval Cortina, Dr. Mauricio Cabrera Ríos
Una solución que surge a primera vista para esta situación sería aumentar el tamaño del área de interés,
sin embargo, esto repercute en la detección de las otras clases vehiculares ya que es necesario rastrearlas en
un área más grande.
Al igual que en la secuencia de video de cinco minutos, dos problemas principales se identificaron en el
proceso de detección y conteo vehicular: un automóvil se detecta más de una vez o de lo contrario no es
detectado. La tabla 5 muestra que de los 4,868 automóviles detectados, 405 vehículos fueron detectados en
más de una ocasión y otros 521 no fueron detectados. Otro problema que se presentó en esta secuencia de
video fue la detección de otros tipos de vehículos como motocicletas y bicicletas. Como se sabe, estos tipos
de vehículos no fueron considerados en el estudio ya que no representan un gran impacto en el flujo vehicular
y en el desgaste al pavimento. Un total de 35 motocicletas y bicicletas fueron detectadas en la secuencia de
hora y media de duración.
Por último, si restamos el número de automóviles repetidos, restamos el número de motocicletas y bicicletas detectadas y sumamos los vehículos que no fueron detectados al número total de vehículos detectados
por el sistema (esto es, 4,868 vehículos) obtenemos entonces el número de vehículos detectados visualmente,
4,949.
Tabla 5. Validación del conteo vehicular visual en secuencia de video de noventa minutos
Estado
Cantidad
Detectados
4,868
Doblemente Detectados
405
Motocicletas y Bicicletas
35
No detectados
521
Total Final
4,949
De la misma manera que en el estudio de una secuencia de video de cinco minutos, el error de detección
vehicular doble se debió principalmente al análisis de comparación entre cuadros. Tal vez una manera de solucionar este tipo de error sea incorporando rastreo vehicular en el área de interés de la imagen. Sin embargo,
como se ha mencionado, esta propuesta se deja como trabajo a realizar en el futuro.
En la sección 3.1.1 se explicaron las razones por las que se obtuvieron casos de no detección vehicular. De
tal manera, en esta sección sólo se presenta la tabla 6 con los valores para cada caso: por pixeles compartidos,
por estar unido al borde, por número de pixeles y por estar unido a otro vehículo.
Tabla 6. Errores de no-detección vehicular en secuencia de video de noventa minutos.
Cantidad
Tipo de Error
325
Por píxeles compartidos
156
Por estar unido al borde
17
Por número de píxeles
23
Por estar unido a otro vehículo
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Hacia un sistema automático de aforo vehicular basado en secuencias de video
y redes neuronales artificiales
Clasificación vehicular en secuencia de video de noventa minutos
No existe una regla definida para la obtención de varios de los parámetros de las RNAs, pues muchos de
ellos dependen en gran medida de la aplicación. Con esto en mente, se realizó un estudio a través de un diseño de experimentos para dos parámetros del clasificador vehicular: el tamaño del conjunto de entrenamiento y
el número de neuronas en la capa oculta. El número de neuronas puede afectar de manera importante el desempeño de aproximación de la red si no se define apropiadamente y el tamaño del conjunto de entrenamiento
en nuestra aplicación tendrá una influencia directa sobre cuánto tiempo deberá pasar el usuario entrenando el
clasificador vehicular. El tamaño del conjunto de entrenamiento se refiere al número de automóviles detectados en un lapso de tiempo de la secuencia de video. Para el desarrollo del experimento, se consideraron tres
diferentes lapsos de tiempo para el conjunto de entrenamiento: diez, veinte y treinta minutos. A su vez, los
niveles considerados para el número de neuronas en la capa oculta fueron: 8, 12 y 16.
De esta manera se trabajó con un factorial completo 32; esto es, de dos variables a tres niveles y se realizaron cinco réplicas del mismo.
Figura 3. Superficie de respuesta de los resultados obtenidos con diseño factorial.
Gráficamente los resultados obtenidos se muestran en la figura 3. Como se puede observar, el porcentaje
promedio de clasificación correcta en el experimento realizado estuvo en el rango de 75.9% a 76.4%. Además, se observa que el tiempo es un factor que influye en la medida de desempeño, caso contrario a lo que
sucede con el número de neuronas en la capa oculta. Se identifica también que al utilizar un tiempo de veinte
a treinta minutos para el conjunto de entrenamiento, se obtienen mejores resultados que utilizando un tiempo
entre diez y veinte minutos.
60
CIENCIA FIC
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Ing. Juan Antonio Sandoval Cortina, Dr. Mauricio Cabrera Ríos
Conclusiones
En este trabajo se presentó una metodología para detectar, contar y clasificar automóviles. La metodología utiliza una combinación de detección y conteo vehicular a través de visión computarizada y clasificación
vehicular a partir de RNAs. Los resultados preliminares del sistema basado en la metodología propuesta demuestran su capacidad y potencial de aplicación.
Un punto importante a destacar es que el propósito de este proyecto fue trabajar con tecnología existente
y accesible en Monterrey.
El proyecto en una primera fase se orientó hacia el problema de conteo y clasificación. El sistema presentado es escalable, susceptible de ser mejorado con nuevas y mejores técnicas de procesamiento de imágenes,
así como capaz de introducir la capacidad de identificar la distribución direccional. El desarrollo de esta nueva
fase del trabajo representa un área de oportunidad dentro del trabajo a futuro.
Los resultados obtenidos por el sistema implican que es posible esperar un desempeño competitivo de las
RNAs como clasificadores no lineales en el problema de clasificación vehicular presentado.
Por otra parte, los resultados obtenidos por la metodología presentada demuestran la viabilidad de alcanzar
niveles aceptables de clasificación aún cuando la RNA es entrenada con una cantidad limitada de patrones.
Aún cuando los resultados presentados en este trabajo son considerablemente buenos, una mejor tasa de
clasificación es deseable. Ésta se puede obtener a través de un mejor proceso de detección y conteo vehicular
por medio de rastreo vehicular. Un proceso de rastreo vehicular arrojaría mejor estimaciones de los parámetros al hacer un cálculo de éstos en varios cuadros y no solamente en uno. Esto se contempla como trabajo
a futuro.
Agradecimientos
Al Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología, a la Universidad Autónoma de Nuevo León, a la Facultad de
Ingeniería Mecánica y Eléctrica, así como al Departamento de Tránsito del Instituto de Ingeniería Civil por su
apoyo en el desarrollo de este trabajo.
Referencias
1
2
3
Maldonado Chan Mauro, “Sistema Automático de Conteo y Clasificación de Flujo Vehicular basado en Procesamiento de Secuencias de Video y Redes Neuronales Artificiales”, Tesis de Maestría, 2006.
Gardner Mark P, “Highway Traffic Monitoring”, Transportation in the New Millennium, 2000.
Lozano Guzmán Alejandro, Romero Navarrete José Antonio, Hernández Jiménez José Ricardo, Carrión Viramontes Francisco Javier & Vázquez Vega David, “Aspectos de la Dinámica de los Vehículos Pesados y su Relación
con el Daño a Pavimentos”, Instituto Mexicano del Transporte, publicación técnica no. 119, 1999.
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No.1
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Método para diseñar el pórtico de entrada de puentes peatonales metálicos
utilizando frecuencias naturales
Método para diseñar el pórtico de entrada de
puentes peatonales metálicos utilizando
frecuencias naturales
Dr. Guillermo Villarreal Garza1, Dr. Ricardo González Alcorta1
RESUMEN
En puentes peatonales construidos con base en armaduras de acero existe una variedad de geometrías de las armaduras que forman la
estructura principal, así también en el pórtico de entrada al piso de los puentes se hace más notoria la variación en su rigidez, al existir pórticos
con poca rigidez hasta pórticos demasiado rígidos .La rigidez del marco del pórtico juega un papel importante en el comportamiento dinámico,
ya que influye en la frecuencia natural. Este trabajo presenta un procedimiento en función de la frecuencia natural de vibración para determinar
la magnitud de rigidez lateral que debe tener dicho pórtico.
ABSTRACT
In pedestrian bridges built with steel trusses there is variety of geometries of those trusses that form part of the bridge and also there is a
variety of geometries of the entrance portal frame, showing this portal frame different structural stiffness. The lateral stiffness of the portal frame
plays an important role on the dynamic behaviour since has influence on the natural frequency. In the paper it is presented an procedure as a
function of the natural frequency to determine the lateral stiffness that must have the portal frame on pedestrian bridges.
Introducción
Existen puentes peatonales con una configuración estructural con base en armaduras de acero (dos verticales y dos horizontales) que son muy económicos y además presentan aspectos convenientes en el procedimiento de construcción, ya que se fabrican en el taller y es mínima la interrupción del tráfico durante su
montaje, (ver Figura 1).
Una ventaja que tienen este tipo de puentes es que es muy fácil agregar una malla a las armaduras verticales para obtener un paso seguro y evitar que alguna persona pueda caer al vacío. Las armaduras horizontales
de estos puentes forman un sistema muy efectivo para tomar las fuerzas laterales como viento y sismo. Las
cuatro cuerdas que forman parte de las armaduras verticales y horizontales toman el momento flexionante
producido por peso propio y la carga viva de las personas que transitan por el sistema de piso así como los
momentos flexionantes que producen las cargas laterales de viento y sismo en las armaduras horizontales.
Las diagonales de las armaduras verticales toman el cortante de peso propio, carga viva de las personas y
sismo vertical, las diagonales de las armaduras horizontales toman el cortante de las cargas laterales de viento
ó sismo, los miembros verticales de las armaduras verticales sirven para rigidizar las cuerdas.
Profesores- Investigadores de la Facultad de Ingeniería Civil de la Universidad Autónoma de Nuevo León. [email protected]
1
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Dr. Guillermo Villarreal Garza, Dr. Ricardo González Alcorta
1 PER 2" x 2" x 0.125" (Verde) TÍPICO
1 PER 3" x 3" x 0.156" (Verde)
COLOCAR MALLA CICLONICA A
TODO LO LARGO DEL PUENTE
VER DETALLE-3
VER DETALLE-2
Vista Superior
1 PER 3" x 3" x 0.156" (Verde)
1
2
1
2
1 PER 2" x 2" x 0.125" (Verde)
2
VER DETALLE-1
COLOCAR MALLA CICLONICA A
TODO LO LARGO DEL PUENTE
1 PER 2" x 2" x 0.125" (Verde)
2
1
1
VER DETALLE-2
Vista Lateral
MONTANTES 1 PER 3" x 3" x 0.156" (Verde) TÍPICO
CL TUBO
CL TUBO
DIAGONALES 1 PER 2" x 2" x 0.125" (Verde) TÍPICO
VER DETALLE-2
Z-1
CL TUBO
VER DETALLE-3
Z-1
CL TUBO
Vista Inferior
Figura 1. Armaduras Superior, Lateral e Inferior de un Puente de 18.00m de Claro
Una desventaja de los puentes peatonales fabricados con armaduras es que son muy flexibles y pueden
presentar una aparente inseguridad especialmente en el caso de que los marcos que forman los portales de
entrada y salida al puente no posean una adecuada rigidez lateral. Cuando la rigidez lateral de estos portales
es baja, la frecuencia natural disminuye y se producen mayores movimientos laterales que sumados con los
movimientos verticales y cabeceo aumentan la aparente inseguridad. El adecuado diseño de estos portales es
muy importante para disminuir las vibraciones de los puentes peatonales fabricados con armaduras de acero,
es importante mencionar que la frecuencia natural de tránsito de las personas se ubica entre 2 y 5 Hertz y se
debe evitar la concordancia de esta frecuencia de excitación con la frecuencia de la estructura del puente (ver
referencia al final del artículo). Mas adelante en éste trabajo se describe un criterio basado en la frecuencia
natural para determinar la rigidez lateral óptima del puente.
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Método para diseñar el pórtico de entrada de puentes peatonales metálicos
utilizando frecuencias naturales
Procedimiento de diseño de un puente peatonal fabricado con armaduras
Generalmente el procedimiento de diseño de un puente peatonal de un claro simplemente apoyado construido con armaduras de acero se basa en los siguientes pasos:
a) Selección de las proporciones generales del puente tomando en cuenta el claro.
b) Propuesta de secciones preliminares de los miembros basada en algún método aproximado para cargas
gravitacionales.
c) Diseño de la estructura del piso del puente con una losa-acero o vigas de piso con placa antiderrapante
para resistir la combinación de peso propio y la carga viva de diseño.
d) Análisis computacional de la armadura especial para las diferentes combinaciones de carga incluyendo
peso propio, carga viva, viento y/o sismo.
e) Revisión de los desplazamientos verticales con base en el análisis estructural del paso anterior. Aquí deberá revisarse que los desplazamientos estén dentro de los límites permisibles para continuar con el diseño
de los miembros y de no ocurrir así deberá aumentarse el peralte de la armadura y/o las secciones de los
miembros y volver a hacer otro análisis.
f) Diseño de los miembros de las cuerdas superior e inferior para cumplir con las especificaciones AISC o
las especificaciones aceptadas para el diseño del puente, para resistir todas las solicitaciones de carga.
g) Diseño de los miembros diagonales y verticales de las armaduras verticales para resistir principalmente
las combinaciones con cargas gravitacionales, con AISC u otras especificaciones.
h) Diseño de los miembros diagonales y horizontales de las armaduras horizontales para resistir principalmente las combinaciones de peso propio y cargas laterales de viento o sismo.
i) Diseño de las conexiones y detalles de uniones para cumplir con las especificaciones AISC o
de
las aceptadas para el diseño.
j) Diseño de los marcos-portales de entrada al puente para tomar las cargas laterales de viento ó sismo
que se transmiten a los portales por la armadura horizontal superior.
k) Análisis dinámico con las secciones definitivas de los miembros. Este paso muchas veces se ignora y no
debería omitirse ya que es muy importante para diseñar correctamente los marcos-portales de entrada y
salida del puente.
En éste trabajo únicamente se describirán los últimos dos incisos (j y k), que son los que tienen que ver con
el diseño del marco portal con base a la frecuencia natural del puente.
Diseño de los marcos-portales de entrada al puente
A continuación se muestran fotografías donde se ilustra el marco portal de un puente peatonal en servicio
fabricado con armaduras de acero (ver Figura 2a, 2b y 2c).
El diseño de los marcos portales de entrada (ver Figura 2a) consiste en un marco de un claro sujeto a una
carga horizontal que es producida por el cortante sísmico horizontal ó por el empuje del viento que actúa en
el área expuesta de las armaduras verticales en un ancho igual a la mitad del claro del puente.
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Dr. Guillermo Villarreal Garza, Dr. Ricardo González Alcorta
Marco del Portal
Figura 2a. Fotografía donde se muestra el marco portal de entrada de un puente peatonal.
Marco del portal antes de reforzarse
Marco de refuerzo para el portal
Figura 2b. Fotografía del marco portal del puente anterior después de reforzarse.
Con ésta fuerza debida al viento se hace el diseño de las dos columnas y viga que forman parte del marco
portal (ver Figura 3b). Ahora bien el diseño efectuado para tomar esas cargas horizontales de viento o sismo
no garantiza que tales marcos tengan una adecuada rigidez para evitar vibraciones excesivas inducidas por la
proximidad de las frecuencias de excitación vertical y horizontal de las personas que caminan sobre el puente
con la frecuencia natural del mismo. La figura 3a muestra un marco típico del portal de entrada.
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Método para diseñar el pórtico de entrada de puentes peatonales metálicos
utilizando frecuencias naturales
Figura 2c. Fotografía con la vista de las armaduras de un puente peatonal.
En la Figura 2b se puede observar un marco portal con muy poca rigidez lateral aunque es capaz de resistir
la fuerza horizontal de viento que le transmiten el viento que actúa en las armaduras; sin embargo, debido a
su baja rigidez lateral este puente presentaba problemas de vibraciones con participaciones importantes de
modos de vibración vertical, lateral y de cabeceo ó torsional. Este es un ejemplo de los muchos puentes peatonales que se sienten inseguros por exceso de vibraciones laterales y de cabeceo debidos a la falta de rigidez
lateral del marco portal.
4
4
3
3
Fviento
4
3
H
TUBO Ø 8" CEDULA 20
45°
TIP
T IP
5
TUBO Ø 8" CEDULA 20
T IP
5
T IP
4
B
P E R 3 "x3 "x0 .1 5 6 " (V e rd e)
Figura 3a. Marco del Portal de Entrada del Puente.
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Figura 3b. Modelo de Análisis del Marco del Portal.
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Dr. Guillermo Villarreal Garza, Dr. Ricardo González Alcorta
Muchos de estos puentes peatonales de armaduras han sido diseñados haciendo correctamente un análisis
estático cumpliendo con el estado límite de resistencia y de desplazamientos, sin embargo no se cumple la
condición del estado límite de vibraciones, pues se ha ignorado el análisis dinámico y como estos puentes
son muy flexibles y puede existir la concordancia o cercanía entre las frecuencias naturales de vibración y las
frecuencias de excitación asociadas al transito de las personas, que provoca vibraciones excesivas y un sentimiento de inseguridad al caminar por ellos.
Análisis dinámico
Para determinar los efectos de viento utilizando el método dinámico se deben tomar en cuenta todas las
características del viento en el sitio donde se ubique la estructura, así como la geometría de las armaduras
del puente, también considerar que en la armadura inferior existe una mayor masa debido a la estructura del
sistema de piso y la posibilidad de que se coloquen estructuras de anuncios sobre la armadura horizontal
superior del puente.
Además debe de considerarse la intensidad de la turbulencia del viento en el lugar de la construcción, la
frecuencia natural y el amortiguamiento de la estructura que en el caso de armaduras de acero es muy bajo el
cual fluctúa entre 0.5 y el 1% del amortiguamiento crítico. Tomando en cuenta estos parámetros se obtiene la
respuesta dinámica debido a ráfagas, como se define en el inciso 4.9 del Manual de diseño de obras civiles,
diseño por viento CFE. En este manual se describe el procedimiento del análisis estático y dinámico incluyendo todas las ecuaciones que deben de utilizarse y los requisitos a cumplirse, por lo que no se hará una descripción del análisis dinámico, solo recalcar que estos puentes de armaduras de acero, por sus dimensiones y
su flexibilidad son sensibles a las ráfagas de viento y deben diseñarse incluyendo un análisis dinámico, para el
cual se pueden ver las referencias y bibliografía al final del trabajo.
Modelo matemático de un puente peatonal
Considerando la interacción entre los peatones de masa modal m caminando sobre un puente de armaduras de acero con un modo de vibración de masa M y rigidez K para pequeñas amplitudes de vibración se
tiene que: la fuerza de interacción la cual es transmitida de los peatones al puente y viceversa la llamaremos
F, este modelo esta mostrado en la Figura 4, donde z(t) es el desplazamiento modal del centro de masa de los
peatones y y(t) es el desplazamiento modal del pasillo del puente.
F
K
M
m
y(t)
x(t)
Figura 4. Interacción del modelo de un puente con masa total M y rigidez K y la masa m de los peatones.
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Método para diseñar el pórtico de entrada de puentes peatonales metálicos
utilizando frecuencias naturales
El análisis final de los modelos estudiados se realizó utilizando un paquete de computadora con capacidad
para efectuar análisis tridimensional de estructuras.
Resultados de los casos de estudio
Se presentan los resultados de la respuesta dinámica teórica de los marcos portales de tres puentes peatonales fabricados con armaduras de acero con claros de 18, 25 y 32 metros respectivamente, en los tres casos
los puentes se consideraron simplemente apoyados. Las geometrías estudiadas se describen en la Figura 5 y
en la Tabla 1.
H
H
B
Armaduras Verticales
H
B
L
Vista Superior de Armaduras Horizontales
Figura 5. Geometrías de los Puentes estudiados
Tabla 1. Geometrías de los Puentes Peatonales Estudiados.
PERFILES PER en pulgadas
PUENTE
L (m)
H (m)
B (m)
Cuerdas
Diagonales
Verticales y otros
1
18.00
2.20
1.50
3x3x0.156
2x2x0.125
2x2x0.125
2
25.00
2.50
2.00
3x3x0.156
2x2x0.125
2x2x0.125
3
32.00
2.60
2.20
3½x3½x0.188
2½x2½x0.125
2½x2½x0.125
En las figura 6a, 6b y 6c se presentan curvas que relacionan la frecuencia natural del puente (en Hz) contra
la rigidez lateral equivalente del pórtico (en kg/cm), en donde se observa que existe un intervalo de rigidez
la cual influye apreciablemente en la frecuencia natural. Se detecta una rigidez limite a partir de la cual la
frecuencia natural del puente ya no cambia de valor porque se vuelve independiente de la rigidez lateral del
pórtico de entrada.
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Dr. Guillermo Villarreal Garza, Dr. Ricardo González Alcorta
7
6
Fecuencia Natural
del Puente en Hz (CPS)
5
4
3
2
1
0
0
1000
2000
3000
4000
Rigidez del Pórtico (k/cm)
Figura 6a. Rigidez del Pórtico – Frecuencia del Puente con Claro L=18.00m.
5
Fecuencia Natural
del Puente en Hz (CPS)
4
3
2
1
0
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000
4500
5000
5500
6000
R igide z de l P órt ic o ( k g/ c m )
Figura 6b. Rigidez del Pórtico – Frecuencia del Puente con Claro L=25.00m
3, 5
Fecuencia Natural
del Puente en Hz (CPS)
3
2, 5
2
1, 5
1
0, 5
0
0
1 00 0
2 00 0
3 00 0
4 00 0
5 00 0
6 00 0
7 000
R igide z de l P órt ic o ( k g/ c m )
Figura 6c. Rigidez del Pórtico – Frecuencia del Puente con Claro L=32.00m
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Método para diseñar el pórtico de entrada de puentes peatonales metálicos
utilizando frecuencias naturales
Como puede observarse en las figuras 6a, 6b y 6c, la frecuencia natural llega a un máximo para cierto
valor de la rigidez, este valor de la rigidez es el valor mínimo que debe tener los pórticos de entrada y salida al
puente para reducir las vibraciones y movimientos del puente, haciéndolo más confortable ya que se reducirán
las oscilaciones y movimientos laterales.
Recomendaciones
• Después de diseñar los miembros de las armaduras utilizando todas las cargas con análisis estático, deberá hacerse un análisis dinámico ya que este tipo de puentes peatonales son muy flexibles
y un diseño con análisis estático puede conducir a un puente con baja frecuencia natural que
podría coincidir con la frecuencia de excitación de las personas que transitan por el puente y que
se traduciría en movimientos que generan aparente inseguridad.
• Cuidar de no subestimar la rigidez del marco del pórtico de entrada; además de diseñar su rigidez
para las cargas con análisis estático, debe también tener una rigidez tal que deje de tener influencia en el valor de la frecuencia natural como se muestra en las graficas (Figuras 6).
• Siempre que existan camellones centrales en las avenidas donde se construirán puentes peatonales de armaduras de acero es más conveniente agregar un apoyo central en el camellón ya que al
tener un puente de dos claros con continuidad al centro tiene un mejor comportamiento dinámico
que cuando se construye de un solo claro y además de dos claro es más económico.
• En estos puentes por ser flexibles debe revisarse que no exista coincidencia entre las frecuencias
verticales (2 a 5 Hz.) y laterales (1 a 2.5 Hz.) de excitación producidas por las personas y la frecuencia natural del puente.
Conclusiones
Se puede concluir que si además de diseñar con análisis estático se diseña el marco del pórtico o portal de
entrada tomando en cuenta la relación Rigidez del pórtico de entrada vs. Frecuencia Natural del puente pueden reducirse los movimientos y vibraciones obteniendo por consiguiente un puente más cómodo y seguro.
Referencias
1
2
3
4
5
6
70
Clough R. Y Penzien J. “Dynamics of Structures” Computers and Structures Inc. 1995 Berkeley California U.S.A.
Biggs J.M. “Introduction to Structural Dynamics” Mc. Graw-Hill Inc. 1994 U.S.A.
Norris Ch., Hansen J., Holley M., Biggs J., Namyet S., Minami J. “Structural Design for Dynamic Loads” Mc. GrawHill.
Manual de Diseño de Obras Civiles “Diseño por Viento” Comisión Federal de Electricidad, México 1993.
Manual of Steel Construction “Load and Resistant Factor Design” American Institute of Steel construction. Third
Edition, New York, 1999.
Stoyanoff S., Hunter M. “Footbridges: Pedestrian induced vibrations” Rowan Williams Davies and Irwin Inc., Ontario, Canada.
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Torres Guerra Leticia M., Garza Tovar Lorena L., Cruz López Arquímedes, Juárez Ramírez Isaías
Uso de materiales cerámicos en procesos
fotoinducidos para descontaminar aguas
residuales de la industria química
Torres Guerra Leticia M.1, Garza Tovar Lorena L.1, Cruz López Arquímedes1,
Juárez Ramírez Isaías1
RESUMEN
Se prepararon tres familias diferentes de compuestos cerámicos con formula general: Na2ZrTi5O13, con estructura de túneles rectangulares,
Bi2MNbO7 (M = In, Al, Fe, Sm) con estructura tipo pirocloro, y ATaO3 (A= Li, Na, K) con estructura tipo perovskita simple, mediante dos métodos
de síntesis: sol-gel y cerámico tradicional. Los óxidos sintetizados fueron caracterizados por difracción de rayos-X (DRX), análisis térmico (DTATGA), área específica (usando el método BET), espectroscopía UV-Vis, FT-IR, SEM-EDS.
La actividad fotocatalítica de cada compuesto fue determinada mediante su desempeño en la reacción de degradación de azul de metileno,
en la fotoreducción de Cr (VI) a Cr (III), y en la reducción de Pb (II). La velocidad de reacción fue calculada aplicando dos modelos cinéticos
diferentes; reacción de primer orden y/o modelo de Langmuir-Hinshelwood. La degradación de azul de metileno muestra claramente que los
catalizadores preparados por el método sol-gel exhiben actividades fotocatalíticas mayores que las de los materiales preparados por el método
cerámico tradicional y de hecho mayor que los óxidos comercialmente conocidos en el área de fotocatálisis (TiO2, Degussa P-25). Del análisis de
rayos-X se encontró que a bajas temperaturas (400°C), no se detectaron fases cristalinas en ninguno de los compuestos preparados por sol-gel.
Además, se determinó que la mayor actividad fotocatalítica encontrada en la degradación de azul de metileno fue mostrada por el compuesto
Na2ZrTi5O13 preparado por sol-gel a pH 9, y calcinado a 800°C.
Para las fases con estructura tipo pirocloro, se encontró que la actividad fotocatalítica se favorece cuando no se ha formado aún la estructura
cristalina. De acuerdo a los valores de t1/2 (tiempo de vida media) y k (constante cinética) el compuesto Bi2FeNbO7 preparado por sol-gel y
calcinado a 400°C muestra la mayor eficiencia. Similar situación fue observada en los compuestos con estructura tipo perovskita simple, ya que
los materials amorfos presentaron la mayor actividad fotocatalítica en el siguiente orden: NaTaO3 > LiTaO3 > KTaO3.
Por último, al ser probado los óxidos con estructura de túneles rectangulares en la fotoreducción de metales pesados, Cr (VI) y Pb (II), se
encontró que el Na2Ti6O13 mostró una mayor eficiencia (86%) en la reducción de Cr (VI) a Cr (III), mientras que el Na2ZrTi5O13 lo hizo para la
reducción de Pb (II), incluso presentando una mayor eficiencia (98%) que la obtenida utilizando el fotocatalizador comercial TiO2 (Degussa
P-25) (85%).
Introducción
Las investigaciones científicas de óxidos cerámicos semiconductores como catalizadores en procesos fotoinducidos en diversas reacciones que se llevan a cabo en solución, fase gaseosa o sólida han sido objeto de
un gran interés en los últimos años por el desempeño multifuncional de este tipo de materiales [1-7]. Estas
investigaciones sobre reacciones de óxido-reducción fotoinducidas fueron inicialmente promovidas cuando se
descubre que el agua puede ser descompuesta (oxidada y reducida simultáneamente) irradiando el TiO2 [8].
Departamento de Ecomateriales y Energía del Instituto de Ingeniería Civil de la Facultad de Ingeniería Civil de la UANL. [email protected]
1
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Uso de materiales cerámicos en procesos fotoinducidos para descontaminar
aguas residuales de la industria química
Desde entonces y hasta ahora se han reportado en la literatura diversos óxidos semiconductores, que
presentan fotoactividad en la reacción de conversión del agua, reacciones de oxidación completa de diversos
compuestos orgánicos aromáticos presentes en aguas residuales, degradación de gases de invernadero y reducción/oxidación de metales pesados presentes en suelos y aguas contaminadas a sustancias menos tóxicas,
que permitan su recuperación [9-20]
Estas reacciones, clasificadas dentro de los procesos avanzados de oxidación (PAO´s) ofrecen ventajas
significativas frente a otras por su mayor factibilidad termodinámica y una velocidad de oxidación muy elevada,
con propiedades adecuadas para degradar cualquier compuesto orgánico en concentraciones bajas.
La preparación y diseño del fotocatalizador juega un papel muy importante dentro del proceso fotocatalíticos, es por eso que desde hace algunos años, las técnicas de síntesis se han venido desarrollando de tal
manera que en la actualidad es posible encontrar una gran variedad de métodos alternos al cerámico tradicional, y que debido a las condiciones moderadas de reacción son catalogados como métodos de química suave
(soft chemistry).
La síntesis vía sol-gel es una metodología muy adecuada para la preparación de materiales con especificaciones particulares como porosidad, área superficial, microestructura, reactividad y forma final del producto.
El método está basado en la hidrólisis y condensación de alcóxidos para formar sólidos con estructuras
cristalinas tridimensionales bajo un control cuidadoso del pH y temperatura. El manejo y adaptación adecuados de los principales parámetros de la síntesis, permite controlar el tamaño de partícula, porosidad, la
distribución de los constituyentes, pureza de los mismos, etc.
En los procesos fotodegradativos se necesitan semiconductores con bandas de energía prohibida (Eg) entre
3.5 eV y 2.2 eV para lograr una completa mineralización (CO2 y H2O), en condiciones menos energéticas.
Tanto la sustitución de cationes multivalentes para reducir la longitud de banda de energía prohibida y el borde
de absorción, como la selección de elementos con radios iónicos apropiados para incrementar la movilidad de
los portadores de carga, son las estrategias mas ampliamente difundidas para inducir mejoras en las propiedades fotocatalíticas de los materiales a nivel estructural.
Recientemente, nuestro grupo ha investigado y publicado los resultados de la fotocatalísis de la 2,4 Dinitroanilina (DNA) utilizando un nuevo óxido ternario semiconductor (Ba3Li2Ti8O20) [13-14] que presenta
estructura de túneles, isoestructural a la fase Na2Ti6O13. La actividad presentada en esta reacción fue superior
a la del TiO2. Es por ello que ha surgido el interés por estudiar familias de óxidos semiconductores con estructuras cristalinas laminares y de túneles en diferentes fotosistemas.
En este trabajo de investigación científica se presenta el estudio experimental e integral del desarrollo de
una serie de óxidos cerámicos semiconductores con propiedades multifuncionales y que pertenecen a las siguientes familias: M2TinO2n+1 (M = Li, Na, K, y n = 2, 3, 4, 6), ATaO3 (A = Li, Na y K), Bi2MNbO7 (M
= Al, In, Fe, Sm).
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Torres Guerra Leticia M., Garza Tovar Lorena L., Cruz López Arquímedes, Juárez Ramírez Isaías
Este estudio incluye desde la selección de las familias de materiales, métodos de síntesis, determinación
de las condiciones de equilibrio termodinámico para su obtención, caracterización de los productos, diseño
de los reactores para evaluar sus propiedades fotocatalíticas ambientales en procesos tanto de oxidación de
compuestos orgánicos tóxicos y remoción de metales pesados en solución.
Parte experimental
Para caracterizar y dar seguimiento tanto a las reacciones de síntesis de los polvos cerámicos, como a
la reacciones fotoinducidas estudiadas, se utilizaron las técnicas: Difracción de Rayos-X en polvos (DRX),
Análisis Diferencial Termogravimétrico (DTA-TGA), Espectroscopia de Infrarrojo (FTIR), Espectroscopía de
Ultravioleta-Visible (UV-VIS), Microscopía Electrónica de Barrido (SEM-EDS), Cromatografía de gases (CG),
Absorción Atómica (AA), etc. Además se determinaron las propiedades texturales de cada uno de estos materiales, utilizando la técnica de isotermas de adsorción de nitrógeno por BET.
A continuación se enlistan los materiales cerámicos semiconductores que fueron preparados tanto por el
método cerámico tradicional como por sol-gel: Los compuestos con estructura análoga de túneles rectangulares Na2ZrTi5O13 y Na18Ba03Ti59O13, compuestos derivados de estructuras tipo perovskitas laminares de la
familia de los pirocloros con fórmula general Bi2MNbO7 (M = Al, In, Fe, Sm), y los compuestos con estructura tipo perovskita simple de la familia ATaO3 (A = Li, Na, K).
Se determinaron las actividades fotocatalíticas de estos semiconductores en las reacciones de oxidación de
los compuestos orgánicos aromáticos en solución 2,4 Dinitroanilina, y azul de metileno. Además, los materiales con estructura de túneles también fueron probados en la fotoreducción de metales pesados en solución
como es el Cr (VI), y Pb(II).
Por último, se efectuaron pruebas preliminares en la reacción de conversión del agua en H2 y O2 para utilizar el H2 como fuente alternativa de energía.
Resultados y discusión
Síntesis y Caracterización
En las tablas I, II, y III, se presentan resumidos los métodos de síntesis y condiciones de reacción de 16
óxidos semiconductores con estructuras de túneles, laminares y de tipo perovskita simple, respectivamente,
por ambos métodos. Se refinaron sus parámetros de celda, encontrándose que sus valores son mayores que
la fase correspondiente sin Zr (Na2Ti6O13), lo que es indicativo de la incorporación del mismo dentro del
enrejado cristalino de la fase.
Degradación De Compuestos Orgánicos
Para determinar la actividad fotocatalítica de los catalizadores obtenidos en la degradación de compuestos orgánicos aromáticos se uso el compuesto azul de metileno en soluciones acuosas con concentración
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Uso de materiales cerámicos en procesos fotoinducidos para descontaminar
aguas residuales de la industria química
Tabla I. Resumen de datos de DRX de los cerámicos con estructuras de túneles rectangulares
Sol-Gel
fases presentes
Estado sólido
fases presentes
Compuesto
pH 3
pH 9
Na2Ti6O13
Na2Ti6O13 + TiO2 (R)
T=1250°C, t=72 h
Na2Ti6O13 + TiO2 (A) T=600°C.
Na2Ti6O13 T=800°C
Na2Ti6O13 + TiO2(A) T=600°C
Na2Ti6O13 T=800°C
Ba3Li2Ti8O20
Ba3Li2Ti8O20
T=1100°C t=48 h
BaTiO3 T=600°C
Ba3Li2Ti8O20 T=800°C
Ba3Li2Ti8O20 (N) T = 600°C
Ba3Li2Ti8O20 T = 800°C
Na2ZrTi5O13
ZrO2 + Na2Ti6O13 + Na2Ti3O7
Na2ZrTi5O13 + TiO2(A) T=600°C.
Na2ZrTi5 O13 T=800°C
Na2Ti6O13 + TiO2 (A)T=600°C
Na2Ti6O13 T=800°C
Na18Ba03Ti59O13
Na18Ba03Ti59O13
pH 7 (neutro)
TiO2, Anatasa T=600 °C
Na18Ba03Ti59O13 + BaTi5O11 T=800 °C
Tabla II. Datos de DRX de los óxidos cerámicos con estructuras tipo pirocloro
Estado sólido
fases presentes
Compuesto
Bi2AlNbO7
Sol-Gel
fases presentes
1050°C
600°C
800°C
Bi2AlNbO7,
Bi2AlNbO7, Bi5Nb3O15
Bi2AlNbO7
Bi2InNbO7
Bi2InNbO7
Bi2AlNbO7, Bi5Nb3O15
Bi2InNbO7
Bi2SmNbO7
Bi2SmNbO7
Bi2SmNbO7
Bi2SmNbO7
Bi2FeNbO7
Bi2FeNbO7
Bi2FeNbO7
Bi2FeNbO7
Tabla III. Datos de DRX de óxidos cerámicos con estructuras tipo perovskita simple
Compuesto
Estado sólido
fases presentes
Sol-Gel
fases presentes
1147°C
400°C
600°C
800°C
LiTaO3
LiTaO3
LiTaO3 (n)
LiTaO3
LiTaO3
NaTaO3
NaTaO3
NaTaO3 + Ta2O5 (n)
NaTaO3
NaTaO3
KTaO3
KTaO3
t-KTaO3 (n)
t-KTaO3
c-KTaO3
(n) Nanocristales, t = fase tetragonal; c = fase cúbica
conocida. En este caso, los catalizadores fueron incorporados a la solución de ésta con agitación constante
para después proceder a la degradación utilizando radiación ultravioleta. Estas reacciones se llevaron a cabo
en un reactor fotocatalítico tipo Batch equipado con una lámpara de longitud de onda en la región del ultravioleta. Se utilizó un espectrofotómetro de UV-Vis, Perkin-Elmer, modelo Lambda 12 para determinar la
concentración de azul de metileno (en cada una de las reacciones) sin degradar tomando como base la banda
del máximo de absorción del espectro UV-Vis de esta misma sustancia.
Azul de Metileno
Na2ZrTi5O13
El compuesto Na2ZrTi5O13 sintetizado por sol-gel a 800°C presentó una velocidad de formación 1.7 veces
superior a su análogo Na2Ti6O13 durante la degradación de azul de metileno. Es probable que la distorsión
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de los octaedros permita la disminución de la recombinación de los portadores de cargas. No se observaron
impurezas de TiO2 en el compuesto que contiene Zr, como en el caso de la fase sin Zr. Probablemente, la
presencia de Zr+4 estabiliza la estructura cristalina. Se observa una mayor disminución de la concentración de
azul de metileno con los materiales tratados térmicamente a 800ºC. Estas disminuciones se encuentran en el
98.4% y 99.7%, respectivamente.
Tabla IV. Parámetros cinéticos de la degradación de azul de metileno con Na2ZrTi5O13 a pH
Compuesto
Na2ZrTi5O13
TiO2 Deg. P-25
T
(°C)
Eg (eV)
k1
(min-1)
t1/2
(min)
400
3.4
0.002177
318
600
3.28
0.007123
97
800
3.23
0.03818
18
----
3.2
0.0157
45
Bi2MNbO7 (M = Al, In, Fe, Sm)
Por otro lado, los materiales con estructura tipo pirocloro, Bi2MNbO7 (M = Al, In, Fe, Sm) obtenidos
por sol-gel a 400°C presentaron mejores eficiencias que el TiO2 Degussa P-25. Estas fases degradaron en un
100% al azul de metileno en tiempos de 140 y 170 minutos, mientras que el TiO2 lo degradó un 93% en
210 minutos. Hay que señalar que los valores de Eg fueron menores que cuando se sintetizaron por estado
sólido.
En la Figura 1 se muestra la evolución de la concentración del compuesto aromático en función del tiempo
utilizando las muestras tratadas a 400°C de los compuestos Bi2MNbO7 (M= Al3+, In3+, Fe3+, Sm3+) sintetizados por sol-gel.
1.1
1.0
T iO 2 (Degussa P -25)
0.9
F e-SG -400
A l-SG-400
0.8
S m -SG-400
I n-SG-400
C/Co
0.7
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0.0
60
80
100
120
140
160
180
200
T iem po (m in)
Figura 1. Degradación fotocatalítica de azul de metileno utilizando como catalizador el Bi2MNbO7 (M= Al3+, In3+, Fe3+, Sm3+) preparado por sol-gel
(400°C) y TiO2 Degussa P-25
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Uso de materiales cerámicos en procesos fotoinducidos para descontaminar
aguas residuales de la industria química
El proceso de degradación presenta una cinética de primer orden con respecto a la concentración de azul
de metileno. Los valores de k y t1/2 son mostrados en la Tabla V.
Tabla V. Parámetros cinéticos de la degradación de azul de metileno utilizando como catalizador el Bi2MNbO7 (M= Al3+, In3+, Fe3+, Sm3+)
preparado por sol-gel (400°C) y TiO2 Degussa P-25
Compuesto
T (°C)
Eg (eV)
k (min-1)
t1/2 (min)
Bi2AlNbO7
400
2.24 – 2.65
0.0376
18
Bi2FeNbO7
400
1.43 – 1.71
0.0539
13
Bi2InNbO7
400
1.62 – 2.2
0.0251
27
Bi2SmNbO7
400
2.23
0.0388
18
TiO2 Deg. P-25
----
3.2
0.0157
45
De acuerdo a los valores de t1/2 y k presentados en la Tabla V el compuesto que presenta mayor actividad
fotocatalítica en la reacción de degradación del azul de metileno es el Bi2FeNbO7, ya que en la reacción en la
que se utilizó esta fase como catalizador se obtuvo el menor tiempo de vida media aparente de 13 minutos.
La alta actividad fotocatalítica del compuesto Bi2FeNbO7 esta relacionada con las propiedades semiconductoras de dicho catalizador. Este catalizador presenta menores valores de Eg que los demás compuestos y
a medida que aumenta el valor de Eg la eficiencia fotodegradativa disminuye. Otra razón para explicar la alta
actividad fotocatalítica del Bi2FeNbO7 es que en el compuesto existe, además de la fase ternaria y binaria observadas por DRX, la presencia de Fe2O3 sin reaccionar, en forma de impurezas (como se observó con ayuda
del análisis por DRX), el cual actúa como dopante.
ATaO3 (A = Li, Na y K)
De manera similar se llevo a cabo la evolución de la concentración del azul de metileno en función del
tiempo, en la fotodegradación del azul de metileno utilizando los compuestos ATaO3 (A = Li, Na y K) y TiO2
(Degussa 25) como los catalizadores; preparados vía estado sólido y vía sol-gel.
En los resultados de la Tabla VI tenemos que la actividad expresada como el tiempo de vida media t1/2
para los catalizadores nos indica que la degradación es favorecida con el catalizador NaTaO3 tratado a 400ºC
(t1/2 = 21 min). Este catalizador presenta también el valor mayor de k2 y junto con el grado de hidroxilación
del sólido; tenemos que los grupos OH actúan como centros de adsorción; favoreciendo la degradación del
compuesto orgánico.
Tabla VI. Parámetros cinéticos de la degradación de azul de metileno utilizando como catalizador el ATaO3 (A = Li, Na y K) preparado por sol-gel
Compuesto
LiTaO3
NaTaO3
KTaO3
76
Temperatura
(ºC)
k1
(min-1)
k2
(M-1)
k1k2
(min-1 M-1)
(min)
(h)
400
2.12E-04
13.9
0.00294
49
-
600
1.30E-05
11.85564
0.000154
-
33
400
2.51E-04
14.67843
0.00368
21
-
600
7.30E-06
12.32
0.00009
-
46
400
2.07E-04
11.78881
0.00244
139
-
600
2.19E-06
11.86257
0.000026
-
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CIENCIA FIC
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t1/2
Torres Guerra Leticia M., Garza Tovar Lorena L., Cruz López Arquímedes, Juárez Ramírez Isaías
De la Tabla VI tenemos que quienes poseen la mayor actividad fotocatalítica son los compuestos obtenidos
a 600ºC con excepción del material que contiene sodio, que mostró ser mejor a 400ºC. A 600ºC ha iniciado
a cristalizar la fase correspondiente.
Reducción de Cr (VI)
La Tabla VII muestra los resultados de estudios iniciales en la actividad fotocatalítica de Na2Ti6O13 y BaLi Ti O comparado con otros compuestos isoestructurales (Na2ZrTi5O13 y Na18Ba03Ti59O13) en la fotore3 2 8 20
ducción de cromo hexavalente. La actividad fue evaluada calculando la fracción de Cr (VI) reducida a Cr (III)
después de 3.5 horas de exposición con radiación UV. A partir de estos resultados, se puede apreciar que la
mejor actividad es presentada por el catalizador de Na2Ti6O13 indicada por una importante disminución del
porcentaje de Cr (VI), 86%.
Tabla VII. % de fotoreducción de Cr (VI) a Cr (III) utilizando materiales isoestructurales con estructura de túneles rectangulares
Material
% de fotoreducción
a (Å)
b (Å)
c (Å)
b
Na2Ti6O13
86
15.13
3.74
9.16
99.30
Ba3Li2Ti8O20
71
15.17
3.90
9.11
98.64
Na2ZrTi5O13
53
-
-
-
-
Na18Ba03Ti59O13
31
15.18
3.78
9.14
98.70
Es claro, que además de las propiedades y características texturales de los sólidos, la actividad como fotocatalizador para un semiconductor dado puede ser afectada/influenciada por otros parámetros relacionados
con el proceso fotocatalítico tales como la cantidad del catalizador, longitud de onda de la radiación, concentraciones iniciales de los reactivos, temperatura y pH de la solución.
Reducción de Pb (II)
Para la reacción de reducción de plomo se utilizó el titanato de zirconio y sodio preparado a pH 9 y calcinado a 600°C. En los experimentos en que se usaron diferentes cantidades de catalizador, 600 y 400 mg
respectivamente y se obtuvieron eficiencias similares. La tabla VIII resume los procesos de adsorción y actividad fotocatalítica en la remoción de plomo.
La remoción de plomo es atribuida a un fenómeno físico de adsorción más que una reacción de reducción.
El análisis por difracción de rayos X de los catalizadores usados mostró la presencia de diferentes óxidos de
plomo.
Tabla VII. % de fotoreducción de Cr (VI) a Cr (III) utilizando materiales isoestructurales con estructura de túneles rectangulares
Catalizador
(mg)
pH
Concentración de plomo (ppm)
(%) de adsorción y redox
600 (I)
7
50
97.9
400 (II)
7
50
94.1
600 (III)
7
100
95.7
600 (IV)
4
100
15.5
CIENCIA FIC
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Uso de materiales cerámicos en procesos fotoinducidos para descontaminar
aguas residuales de la industria química
Conclusiones
En los procesos fotoinducidos estudiados en este trabajo, los óxidos inorgánicos mostraron eficiencias
superiores a los mejores materiales (TiO2, La/NaTaO3, etc.) en reacciones fotoinducidas de oxidación de compuestos orgánicos tóxicos, y remoción de metales pesados en solución.
El método y las condiciones de síntesis afectan las propiedades catalíticas del óxido semiconductor. Se encontró que a través de una vía alterna (sol-gel) es posible llevar a cabo la preparación de óxidos de diferentes
familias con estructuras tipo perovskita simple, tipo pirocloro y de túneles rectangulares, con fórmula general
ATaO3 (A = Li, Na and K), Bi2MNbO7 (M = Al3+, In3+, Fe3+, Sm3+), y Na2ZrTi5O6, y que estas fases pueden
ser obtenidas a menores temperaturas (entre 400°C y 600°C) y en menor tiempo en comparación con los
compuestos obtenidos por estado sólido (1200°C).
Se ha demostrado que los compuestos de las familias ATaO3 (A = Li, Na and K), Bi2MNbO7 (M = Al3+,
In3+, Fe3+, Sm3+) y el compuesto Na2Ti5ZrO13 presentaron una alta eficiencia fotocatalítica en la reacción de
degradación del azul de metileno. Además, en algunos casos, estos fueron capaces de reducir Cr (VI) a Cr
(III) en altos porcentajes.
Finalmente, se debe mencionar que la constante búsqueda de nuevos materiales cerámicos, basada en los
conceptos estructura-propiedad desarrollada en los laboratorios de nuestra institución (UANL), es la estrategia que ha permitido que estas investigaciones científicas trasciendan al ámbito tecnológico, y de aplicación
en diferentes áreas.
Referencias
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2
3
4
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8
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CIENCIA FIC
No.1
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79
Participación de la mujer en un sistema sustentable de autoconstrucción asistida
Participación de la mujer en un sistema
sustentable de autoconstrucción asistida
Bianca C. Guevara Moreno1, César A. Juárez Alvarado1, Pedro L. Valdez Tamez1,
Jorge L. Acevedo Dávila2
RESUMEN
En este artículo se presentan los resultados de una investigación que si bien atendió aspectos técnicos, fue su marcada tendencia social la
que pone de manifiesto la importancia del desarrollo tecnológico propuesto. El proyecto de investigación consistió en una parte, en determinar
la factibilidad técnica de un desarrollo tecnológico para ser aplicado en la autoconstrucción de vivienda de bajo costo, sin embargo, la principal
aportación de este desarrollo es la participación activa de la mujer y ama de casa como factor principal en la mejora de su patrimonio familiar.
El proyecto tuvo el objetivo de probar la viabilidad de una tecnología basada en el empleo de un sistema constructivo sustentable. Los resultados
encontrados muestran que el sistema constructivo a base de muros de concreto aligerado con envases de PET tienen propiedades mecánicas
similares a los materiales de construcción comerciales y poseen un fuerte enfoque de sustentabilidad con mucho, superior a los sistemas constructivos existentes.
Palabras claves: Concreto, PET, muro, sustentabilidad, resistencia a la compresión, curado, colado, agrietamiento, autoconstrucción.
ABSTRACT
This paper present the results of an investigation are exposed that although took care of aspects technical, was their noticeable social tendency
the one that shows the importance of the proposed technological development. The investigation project consisted of a part, in determining the
technical feasibility of a technological development to be applied in the selfconstruction of house of low cost, nevertheless, the main contribution
of this development is the active participation of the woman and housewife like main factor in the improvement of its familiar patrimony. The
project had the objective to prove the viability of a technology based on the use of a sustainable constructive system. The results shows that the
constructive system with walls of concrete lightened with PET packages has mechanical properties similar to the commercial construction materials
and have a fort approach of sustentabilidad by far, better to the existing constructive systems.
Key words: Concrete, PET, wall, sustainability, compressive strength, curing, casting, cracking, self construction.
Introducción
La demanda de vivienda digna por parte de la población de menos recursos económicos se acentúa cada
vez más, sin embargo, es precisamente este sector de la población, quienes por su incierta situación laboral
no pueden aspirar a una vivienda nueva. Siendo entonces la autoconstrucción su única alternativa viable. Este
proyecto hace énfasis en una autoconstrucción asistida y sustentable, que además de promover la mejora en
las condiciones de vida de los que menos tienen, fomente una cultura de reutilización de subproductos conCuerpo Académico de Tecnología del Concreto de la Facultad de Ingeniería Civil de la UANL. [email protected]
Corporación Mexicana de Investigación en Materiales, S.A. de C.V.
1
2
80
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Bianca C. Guevara Moreno, César A. Juárez Alvarado, Pedro L. Valdez Tamez, Jorge L. Acevedo Dávila
taminantes. Este artículo da a conocer los primeros resultados experimentales de un desarrollo tecnológico de
autoconstrucción sustentable, éstos se presentan desde el punto de vista el técnico, sin embargo, se hace énfasis en su impacto social en la población de bajos recursos. Actualmente, se investiga en el laboratorio sobre
la posibilidad de incorporar subproductos industriales al sistema constructivo, lo que generaría importantes
ahorros económicos a los usuarios.
Antecedentes
En el año del 2004 se inició en la ciudad de Saltillo, Coahuila, el proyecto de innovación tecnológica aplicado a la autoconstrucción, teniendo como objetivo probar tecnologías alternativas que permitieran a la población de escasos recursos construir o ampliar sus viviendas. El proyecto se orientó a la población femenina
de familias donde las esposas estuvieran dedicadas “al hogar”. La razón por la que la propuesta está dirigida a
este perfil fue debido a que se partió del supuesto que consiste en reconocer en la estructura familiar la existencia de un “tiempo libre” en la jornada de trabajo doméstico de las mujeres, principalmente en las familias
de escasos recursos, el cual generalmente es destinado a actividades que, sin contar con un empleo formal,
le permite allegarse recursos extraordinarios, o bien se utiliza para el descanso. Esto no supone que lo último
se considere innecesario, sino que las mujeres cuentan con un tiempo que en general no pueden emplear en
actividades económicamente productivas formales, no porque así lo elijan, sino por la percepción de sus roles
y de la necesidad práctica de atender a la familia.
La propuesta tecnológica desarrollada por la Corporación Mexicana de Investigación en Materiales, S.A.
de C.V. (COMIMSA) y el Cuerpo Académico de Tecnología del Concreto de la Facultad de Ingeniería Civil de
la UANL (CATC), tiene dos objetivos principales, uno de carácter técnico y otro organizativo.
El primero consiste en desarrollar sistemas constructivos que permitan: a) utilización de materia prima de
uso común y de fácil disponibilidad; b) obtener materiales de constructivos con propiedades mecánicas de
acuerdo a estándares y normativa nacional de calidad y construcción y; c) empleo mínimo de herramientas
especializadas.
El segundo objetivo consiste en el diseño de un procedimiento de construcción que ofrezca: a) el desarrollo de una autoconstrucción progresiva que no requiera más de dos trabajadores a la vez y cuyo grado de
dificultad se adapte fundamentalmente a las condiciones físicas y sociales de la mujer; b) que no requiera de
un conocimiento especializado ni experiencia en las técnicas convencionales de construcción; c) fabricación
de materiales de acuerdo a niveles de ahorro promedio; d) que atienda a los requerimientos culturales de la
región; y e) que ofrezca la flexibilidad en el diseño y tamaño de las construcciones que demanden los usuarios.
El proyecto consistió en cuatro etapas: información y sensibilización, capacitación, construcción y evaluación. COMIMSA y el CATC proporcionaron la asistencia técnica, que incluyó la capacitación y supervisión de
la calidad en los procesos constructivos, y económica brindando los materiales de construcción, herramientas
y moldes para la elaboración de los prototipos tecnológicos para la construcción de una habitación de 22 m2
de superficie, en promedio.
CIENCIA FIC
No.1
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Participación de la mujer en un sistema sustentable de autoconstrucción asistida
Los prototipos se diseñaron para la edificación de los muros a base de paneles de concreto aligerados con
envases de Polietileno Tereftalato (PET) de desecho (envases de refrescos de 2 litros). Las mujeres participantes fueron elegidas con base en un estudio de factibilidad, realizado previamente por personal del Centro
de Investigaciones y Estudios Superiores en Antropología Social (CIESAS) en treinta familias residentes en
colonias populares de la ciudad de Saltillo, Coahuila. El objetivo de dicho estudio se centró en conocer la
experiencia autoconstructiva de las familias. Las unidades de análisis fueron las viviendas y los hogares, que
se determinaron en función del ingreso en un rango de entre 2 y 3 salarios mínimos, y dos indicadores de
vivienda: a) vivienda de material sólido con 2 cuartos, cocina incluida, y b) vivienda con paredes de materiales
ligeros, naturales y precarios.
El estudio de factibilidad se basó en una metodología eminentemente cualitativa, por lo que no fue una
muestra estadística y los resultados son representativos solo de este segmento de la población. Con base en la
información proporcionada, se definieron elementos como el papel que desempeñan en la estructura familiar,
la participación de los miembros en el ingreso global, la distribución del gasto familiar, las formas de cooperación intrafamiliar, las formas de organización del trabajo dirigido a la autoconstrucción, y su experiencia en
la organización vecinal.
Del universo de las familias entrevistadas se eligieron las cinco participantes del proyecto piloto, privilegiando su condición de precariedad habitacional, aptitud física y disposición para que los miembros de la
familia participaran en un proyecto de autoconstrucción asistida. Las mujeres quedaron a cargo de la responsabilidad del proyecto en su respectiva unidad doméstica.
Descripción del programa experimental
Siguiendo con el desarrollo del proyecto, la primera parte consistió en informar y sensibilizar a las participantes de las propiedades físicas y mecánicas de los materiales a utilizar. Posteriormente, se dio una
capacitación del manejo de la tecnología mediante platicas y sesiones de adiestramiento personales, lo que
permitió pasar a la etapa de la construcción, primero con los paneles de concreto aligerado con PET en forma
individual y posteriormente, pasar a la construcción dentro de su vivienda de muros a base de estos paneles
de concreto. Adicionalmente, fueron fabricados bloques individuales y muros de concreto con la finalidad de
ser evaluados en el laboratorio de Tecnología del Concreto del Instituto de Ingeniería Civil de la UANL.
Comportamiento físico- mecánico del PET
Ya que el PET es de uso común en la industria, su comportamiento físico y mecánico fue obtenido de
la literatura consultada1,2,3, en donde se reportan ensayes a tensión en probetas de PET en forma de barras
prismáticas de 80x10.5x4.6 mm, de acuerdo al ASTM D 790M-92.
Evaluación de la resistencia a compresión del concreto
Para evaluar la resistencia mecánica a la compresión, se fabricaron especímenes cilíndricos de concreto con
agregados de caliza propios de la región. La granulometría del agregado cumple con la norma ASTM C-334.
82
CIENCIA FIC
No.1
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Bianca C. Guevara Moreno, César A. Juárez Alvarado, Pedro L. Valdez Tamez, Jorge L. Acevedo Dávila
Así también, se utilizó cemento portland tipo CPC 30R común en la región y agua potable. En la tabla 1 se
pueden observar las proporciones usadas en la fabricación de los especímenes de concreto.
Tabla 1. Proporciones de materiales para fabricar el concreto de bloques aligerados con PET.
Material
kg/m3
Cemento
260
Agua total
182
Agregado fino (arena No. 4)
826
Agregado grueso “Sello”
64 mm (¼ pulg.)
914
Para el mezclado de los ingredientes, primero se homogeneizaron los agregados, posteriormente se agregó el cemento y el agua total (agua de reacción + agua de absorción de los agregados). Se mezclaron los
ingredientes obteniéndose una relación Agua / Cemento (A/C) = 0.70. La mezcla se vació en moldes cilíndricos metálicos de 10.2 mm de diámetro, el vaciado fue realizado en tres capas compactando con 25 golpes
con una varilla de acero punta de bala diámetro de 6.35 mm (1/4¨) y 4 golpes por capa con el martillo de
goma. Todos los especímenes se mantuvieron en sus moldes durante 24 h protegiéndolos de la pérdida de
humedad y posteriormente fueron curados en forma estándar, se mantuvieron dentro de un cuarto con 95%
de humedad relativa y 23oC hasta el momento de su ensaye. El procedimiento de mezclado, colado y curado
fue de acuerdo con la norma ASTM C 192-985. Todos los especímenes fueron ensayados a compresión de
acuerdo con la norma ASTM C 39-046 a las siguientes edades: 4, 7, 14, 28 y 90 días.
Evaluación de la resistencia a compresión de bloques de concreto aligerado con PET
Se fabricaron tres bloques de concreto con relación A/C = 0.70, las dimensiones de estos bloques
fueron de 130x340x730 mm aligerados con envases desechables de PET. Los bloques fueron ensayados a
compresión utilizando una máquina universal electrónica marca Tinius-Olsen con capacidad máxima de 200
toneladas y a una velocidad de 1 t/min.
Evaluación de la resistencia a compresión de muros de concreto aligerado con PET
Los muros constituyen un sistema constructivo aligerado, que se utiliza como muros de carga, muros divisorios y bardas perimetrales. Cuatro muros de 2.19 m largo, 2.20 m de alto y 0.13 m de espesor rematado
por un cerramiento de concreto, fueron ensayados a compresión en una losa de reacción de concreto reforzado con una superficie aproximada de 100 m2. La losa tiene la capacidad de soportar una carga a tensión
en cada grupo de anclas de 50 t. El sistema de aplicación de carga consiste en pistones hidráulicos de 150 t
montados sobre marcos de carga a partir de acero estructural los cuales se anclan a la losa de reacción.
Resultados experimentales y discusión
Comportamiento físico-mecánico del PET
Se reporta en la literatura3 que en ensayes a tensión en probetas de PET se presenta un comportamiento
característico de un material polimérico dúctil con formación de cuello de estricción relativamente estable. El
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cuello se forma mostrando una estricción aproximadamente de 45° respecto al eje de aplicación de la carga,
típico de un mecanismo de deformación por bandas de cortante. Una vez formada la estricción se genera un
emblanquecimiento paulatino en la zona del cuello a medida que se deforma, lo que es acompañado de un calentamiento en esta zona. Este emblanquecimiento es asociado principalmente a un proceso de cristalización
inducido por la deformación en el PET, lo cuál puede ser verificado al observar que la ruptura no sobreviene
por una caída abrupta en la tensión (ruptura frágil), sino que procede por un proceso de formación de fibras
que sufren una progresiva ruptura. Adicionalmente, se observó cierto aumento aparente de la deformación a
la ruptura, lo que implicaría un incremento aparente de la tenacidad1,2,3.
El comportamiento dúctil a tensión del PET descrito en la literatura, permite suponer que su comportamiento a compresión cuando éste se encuentre embebido en el concreto sea muy similar en lo referente a
la ductilidad y tenacidad, lo que permitirá en caso de presentarse una falla en el bloque de concreto o en el
muro, que ésta sea del tipo dúctil, evitando así las fallas frágiles típicas de la mampostería de concreto.
Resistencia a compresión del concreto
La resistencia mecánica del concreto es la medida de la cantidad de esfuerzo requerido para hacer fallar el
material7. Puesto que la resistencia del concreto es una función del proceso de hidratación, que es relativamente lento, tradicionalmente las especificaciones y las pruebas para la resistencia del concreto se basan en
muestras curadas bajo condiciones estándar de temperatura y humedad, por un periodo de 28 días8.
Durante la construcción en laboratorio de los bloques de concreto aligerados con PET, se llevó a cabo un
estudio para determinar la resistencia del concreto de diseño. Se fabricaron y ensayaron a compresión uniaxial
Tabla 2. Resultados de la resistencia a compresión de cilindros del concreto usado para fabricar los bloques.
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No. de espécimen
Edad
(días)
Carga máxima (kg)
Resistencia a la
compresión
(kg/cm2)
1
4
5270
65
2
4
6324
78
3
4
5189
64
4
7
7459
92
5
7
8269
102
6
7
8107
100
7
14
10377
128
8
14
10134
125
9
14
9161
113
10
28
9729
120
11
28
10945
135
12
28
10215
126
13
90
11421
141
14
90
12263
151
15
90
10048
124
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Promedio
(kg/cm2)
69
98
122
127
139
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al menos tres cilindros de concreto a edades de 4, 7, 14, 28 y 90 días, permaneciendo durante ese periodo
en el cuarto de curado descrito anteriormente. En la tabla 2 se muestran los resultados obtenidos de los ensayes a compresión en cilindros de concreto a diferentes edades basados en la norma ASTM C 39-046.
Resistencia a compresión
(kg/cm2)
160
120
80
40
0
0
15
30
45
60
75
90
Edad (días)
Fig. 1. Comportamiento de la ganancia de resistencia a compresión del concreto utilizado para la fabricación de los bloques aligerados con PET.
En la figura 1 se puede apreciar el comportamiento de la resistencia a compresión de los cilindros de concreto, con respecto al tiempo. Se diseño teóricamente una mezcla para proporcionara una resistencia a la falla
por compresión especificada a los 28 días de 100 kg/cm2, la cual es adecuada para la aplicación de los bloques de concreto en el tipo de edificación objetivo de la presente investigación. De acuerdo a los resultados
obtenidos se puede esperar que la resistencia a la compresión del concreto usado para fabricar los bloques
de concreto aligerados con PET supere a la resistencia de diseño.
Resistencia a compresión de los bloques de concreto aligerado con PET
Se fabricaron tres bloques de concreto aligerado con envases de PET (figura 2). Los bloques de concreto
fueron ensayados a compresión para determinar su resistencia individual y predecir el comportamiento estructural de los muros fabricados mediante éstos. En la tabla 3 se señalan los resultados obtenidos en los ensayes
a compresión de los bloques.
La falla que se presentó en estos paneles sujetos a compresión uniaxial fue iniciada por el agrietamiento
vertical en el plano de alineación de los envases de PET, como puede observarse en la figura 3, el cuál es un
planodébil del bloque ya que tiene la menor área de concreto, sin embargo, aún después de presentarse este
agrietamiento, el bloque de concreto mantuvo su capacidad de carga e inclusive ésta se incrementó hasta
llegar a la carga máxima, la cuál fue mayor a la carga de del primer agrietamiento, tal como puede apreciarse
en la tabla 3. Este comportamiento fue similar en todos los bloques ensayados, generándose solamente en el
bloque No. 3 una concentración de carga en su cara inferior.
Después de la primera grieta vertical en el plano de los envases de PET, se presentaron agrietamientos en
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Fig. 2. Bloque de concreto aligerado con envases de PET.
Tabla 3. Resultados de la resistencia a la compresión de bloques de concreto aligerado con PET
No. de bloque
Ancho (mm)
Largo (mm)
Carga de agrietamiento
(kg)
Carga máxima (kg)
1
131
724
6600
21064
2
130
729
11149
20549
3
130
728
11980
18742
la cara del bloque, mostrando un patrón de grietas diagonales por zonas de tensión diametral hasta la falla
por aplastamiento del concreto. De acuerdo a la normas técnicas complementarias para diseño y construcción
de estructuras de mampostería9 (NTC), la resistencia a compresión se determinará para cada tipo de piezas
de acuerdo con el ensaye especificado en la norma NMX-C-036. Para el diseño, se empleará un valor de
resistencia, fp* , medida sobre el área bruta.
(a)
(b)
Fig. 3. (a) Agrietamiento vertical en el plano de los envases de PET. (b) Patrón de agrietamiento de
los bloques de concreto aligerado con envases de PET sujetos a compresión.
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fp *=
fp
1 + 2.5cp
(1)
donde:
fp = Media de la resistencia a la compresión de las piezas, referida al área bruta; y
cp= Coeficiente de variación de la resistencia a compresión de las piezas.
Basados en la NTC el valor de cp no se tomará menor que 0.20 para piezas provenientes de plantas
mecanizadas que evidencien un sistema de control de calidad como el requerido en la norma NMX-C-404ONNCCE9, ni menor de 0.30 para piezas de fabricación mecanizada, pero que no cuenten con un sistema
de control de calidad, también, no menor que 0.35 para piezas de producción artesanal. De esta manera la
resistencia a la compresión de los bloques de concreto aligerado con PET, fue de 11.3 kg/cm2, considerando
fp =21.2 kg/cm2 y cp = 0.35. En la tabla 4 se presenta los límites mínimos recomendados de peso volumétrico y resistencia a la compresión según las NTC del Distrito Federal en lo que se refiere a mampostería.
Se puede apreciar que el bloque de concreto aligerado con PET se encuentra dentro de lo especificado por
las normas de diseño y construcción mexicanas, además de tener cualidades muy similares a los bloques que
usualmente se comercializan.
Tabla 4. Comparativa del peso volumétrico neto mínimo y de la resistencia a la compresión de diseño para diferentes tipos de mampostería9.
Tipo de mampostería
Peso volumétrico (kg/m3)
Resistencia a la compresión (kg/cm2)
Tabique de barro recocido
1300
15
Tabique de barro con huecos verticales
1700
40
Bloque de concreto
1700
20
Tabique de concreto (tabicón)
1500
20
Bloque de concreto aligerado con PET
1250
11.3
Resistencia a compresión de los muros de concreto aligerado PET
Se construyeron en el laboratorio de Tecnología del Concreto del Instituto de Ingeniería Civil, cuatro muros
a base de paneles de concreto aligerado con envases de PET. De los cuales dos muros fueron construidos con
los paneles alineados, y los dos restantes fueron construidos con los paneles desfasados. Las dimensiones de
estos muros fueron de 2.19 m de largo (3 paneles) x 2.20 m de alto (6 paneles) que incluye un cerramiento
de concreto reforzado de 0.16 m de peralte para remate y 0.13 m de espesor. Los muros se pintaron con
un fondo blanco y se dibujó una cuadrícula para marcar el patrón de agrietamiento. La carga fue aplicada
mediante un pistón hidráulico a una velocidad de 1 t/min, los muros fallaron en las uniones entre los paneles
al presentarse el agrietamiento entre éstos, ver figura 4.
Los resultados obtenidos que se muestran en la tabla 5, indican que los muros de paneles de concreto
aligerados con PET, presentan una adecuada resistencia, considerando la magnitud de las cargas reales a las
que estará expuesto el muro, incluyendo la posibilidad de aplicar cargas provenientes de una vivienda de dos
niveles. El comportamiento de los muros durante el ensaye fue de mínima deformación y el agrietamiento se
presentó hasta el momento de su falla, al alcanzar la carga máxima y presentarse el agrietamiento, la carga no
continuó aumentando de magnitud, definiendo de esta manera la máxima carga alcanzada.
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Fig. 4. Agrietamiento vertical en muro de paneles de concreto con PET después del ensaye a compresión.
Tabla 5. Resultados de la resistencia a compresión de muros.
Espécimen
Tipo de falla
Carga máxima
(kg)
Promedio
(kg)
Muros con paneles alineados
Agrietamiento en la unión de los paneles.
70131
75340
72736
Muros con paneles desfasados
Agrietamiento por aplastamiento en la zona de
carga y fisuras en la unión entre los paneles.
76890
73732
75311
Transferencia del desarrollo tecnológico
Dentro de los aspectos importantes que intervinieron en la selección de los mecanismos de transferencia
de la tecnología, fue la influencia de la escolaridad10 y el contexto que caracteriza a la población participante,
ambos fueron criterios que a lo largo del programa favorecieron o limitaron el aprendizaje, por lo que la sistematización del proceso enseñanza-aprendizaje con fines de capacitación, debió enfocarse en cuatro elementos principales: a) relevancia de la información práctica sobre la teórica; b) empleo de manuales e instrumentos
didácticos apoyados en el elemento gráfico: dibujos, diagramas, etc., más que el texto; c) amplios espacios
para la aclaración de dudas; d) atención personalizada y equitativa.
Uno de los resultados inesperados fue la alta valoración que atribuyeron los autoconstructores al aprendizaje de nuevas tecnologías. Este reconocimiento fue equiparado incluso al beneficio que les significó la
construcción de la nueva habitación. De acuerdo a los controles de calidad del proceso de fabricación aplicado por el área técnica, todos los autoconstructores tuvieron un nivel de eficiencia óptimo. Por su parte, las
familias coincidieron en afirmar que los conocimientos prácticos adquiridos no solamente les habían permitido
construir una habitación, sino que habían adquirido habilidades que les permitirían en lo futuro continuar me-
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jorando su vivienda. En razón de ello y del dominio adquirido, un programa de esta índole podría considerar
la inclusión de un mecanismo de certificación de conocimientos y habilidades.
Fig. 6. Mujer participante en el proyecto durante la construcción de un muro para su vivienda.
Conclusiones
1. El desarrollo tecnológico propuesto, es una respuesta factible que contribuye a solucionar el
problema de vivienda en la población de escasos recursos mediante una participación activa de
la mujer.
2. El sistema de autoconstrucción presenta un comportamiento mecánico adecuado ya que su resistencia a compresión cumple con los requerimientos establecidos por los organismos que regulan
la construcción del país.
3. El uso de un subproducto doméstico contaminante (envases de PET), en la fabricación de materiales de construcción, permite asegurar que el sistema de autoconstrucción propuesto es sustentable, generando un beneficio ecológico para la sociedad al asegurar la utilización de 24 envases
de PET de 2 L por metro cuadrado de muro construido.
4. Durante el desarrollo del proyecto, la mujer mantiene un papel protagónico en las tomas de decisiones, situación que lejos de haber constituido una limitante al buen desarrollo del programa,
coadyuvó en el logro de los resultados esperados pues permitió generar la sinergia necesaria para
involucrar a los otros miembros del grupo.
5. Es previsible que el porcentaje de la población que pueda acceder a una vivienda nueva se mantenga y no se incremente sustancialmente en el futuro cercano, lo que hace altamente probable
que en el mediano plazo la atención al tema del mejoramiento y a la vivienda de autoconstrucción,
sea tan importante como el que ahora se presta a la vivienda nueva.
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Referencias
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
90
Young, R. J., Lovell, P. A., “Introduction to Polymers”, 2da ed. Londres, Chapman and Hall, 1996, pp. 241-424.
Young, J. F., Mindess, S., Gray, R. J., Bentur, A., “The Science and Technology of Civil Engineering Materials”, ed. by
Prentice Hall Inc., 1998, pp. 359 – 371.
Kinloch, A. J., Young, R. J., “Fracture Behavior of Polymers”, Londres, Inglaterra, Applied Science publisher, 1983, pp.
18-371.
ASTM C 33 - 97, “Standard Specification for Concrete Aggregates”, American Society for Testing and Materials, Philadelphia, 1998, p. 7.
ASTM C 192 - 98, “Practice for Making and Curing Concrete Test Specimens in the Laboratory”, American Society for
Testing and Materials, Philadelphia, 1999, p. 6.
ASTM C 39 - 04, “Standard Test Method for Compressive Strength of Cilindrical Concrete Specimens”, American Society
for Testing and Materials, Philadelphia, 2004, p. 6.
Mehta, K., Monteiro, P., “Concreto Estructura, Propiedades y Materiales”, Instituto Mexicano del Cemento y del Concreto, A.C., México, 1998, pp. 286 – 297.
Neville, A. M., “Tecnología del Concreto”, Instituto Mexicano del Cemento y del Concreto, AC, México, 1992, pp. 150
– 165.
NMX-C-036, “Normas Técnicas Complementarias para Diseño y Construcción de Estructuras de Mampostería”, 2004.
pp. 47.
Hsai, Y. F., “New Horizons in Construction Materials”, International Symposium on New Horizons in Construction,
Lehigh Valley, Lehigh University Geotechnical Engineering Division, 1976, pp. 525 – 554.
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Noticias
Noticias
PREMIO A LA MEJOR TESIS DE LICENCIATURA Y MAESTRÍA
Universidad Autónoma de Nuevo León
Secretaría Académica
Dirección General de Estudios de Posgrado
Podrán participar todas las tesis defendidas durante el 2006, las cuales serán inscritas en dos categorías:
a. Licenciatura
b. Maestría
La inscripción podrá efectuarse a partir del día 1 de marzo hasta el 31 de mayo de 2007.
Para mayor información:
http://www.uanl.mx/oferta/posgrado/
http://www.uanl.mx/oferta/posgrado/PremioalaMejorTesis06.html
XVI INTERNATIONAL MATERIALS RESEARCH CONGRESS
VI NATIONAL ENGINEERS NACE INTERNATIONAL SECTION MEXICO CONGRESS
Se invita a académicos y profesionales de la industria de la construcción al XVI Congreso Internacional de Investigación de Materiales y al VI Congreso Nacional de la Sección México del Engineers NACE Internacional, que se llevará a cabo en Cancún
México del 19 al 23 de Agosto del presente año.
Para mayor información:
http://www.amcm.org.mx/imrc2007/
[email protected]
ACI FALL 2007 CONVENTION
Sección Noreste México del ACI
Se invitan a profesores, alumnos, profesionales de la industria del cemento y concreto y público en general a la Convención de Otoño
del ACI, que se celebrará del 14 al 18 de Octubre en Puerto Rico, E.U.
Para mayor información:
http://www.aci-int.org/general/home.asp
http://www.concrete.org/Convention/fall-Convention/Front.asp
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Noticias
FORO NACIONAL DE INVESTIGACIÓN
“El papel de la Ingeniería Civil en el Desarrollo Nacional”
CONACYT – ANEIC
Se invita a profesores, estudiantes y a profesionales de la industria de la construcción al Foro Nacional de Investigación que se
realizara en Acapulco, México los días 14 al 17 de Junio del 2007.
Para mayor información:
http://www.aci-int.org/general/home.asp
http://www.concrete.org/Convention/Spring-Convention/Front.asp
UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE NUEVO LEÓN
Facultad de Ingeniería Civil
Subdirección de Estudios Posgrado
A continuación se presentan los Programas de Posgrado de nuestra Dependencia:
Doctorado en Ingeniería de Materiales de Construcción y Estructuras
Maestría en Ciencias con orientación en:
• Materiales de Construcción
• Ingeniería Estructural
• Ingeniería Ambiental
Maestría en Ingeniería con orientación en:
• Ingeniería Estructural
• Ingeniería Ambiental
• Ingeniería de Tránsito y Transporte
• Hidrológica Subterránea
Para mayor información:
Ing. Justino César González Álvarez M. en I.
Subdirector de Estudios de Posgrado
Tel./Fax 8376.3970, 8332.1902
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Información para autores
Información para autores
A continuación se presenta la guía para redacción de los artículos.
1. Extensión e idioma de documentos
Los trabajos deberán presentarse en español o inglés entre 5 y 12 páginas incluyendo el resumen, tablas, gráficas e imágenes.
2. Formato
El artículo será presentado en tamaño 21.6 x 27.9 cm (carta). El margen superior e inferior deberá ser de 2.5 cm, el izquierdo de 3cm y el derecho de 2 cm.
2.1 Título
Máximo 2 renglones, tipografiado en altas y bajas, tipo Arial a 16 puntos, con interlínea normal y centrado.
2.2 Autor o autores
Nombre o iniciales y apellidos, de acuerdo como deseen sean publicados. Tipografiado en altas y bajas, tipo Arial a 12 puntos, en negritas. Al final de cada
nombre se colocará un número superíndice para especificar su adscripción.
2.3 Adscripción
Colocarla al pie de página; incluir su filiación, departamento o Cuerpo Académico a que pertenecen, correo electrónico y número telefónico. Al inicio, colocar
un superíndice en negritas para correlacionarlo con el autor, tipografiado en altas y bajas, tipo Arial a 10 puntos, con interlínea normal y alineación a la
izquierda.
2.4 Resumen
Deberá presentarse de manera concisa sin extenderse demasiado en detalles. Se colocara tanto en español como en inglés, con un mínimo de 100 palabras y
un máximo de 300 palabras (cada uno). Tipografiado en altas y bajas, tipo Time New Roman a 10 puntos, con interlinea normal y justificado.
2.5 Palabras clave
Representarán los términos más importantes y específicos relacionados con la temática del artículo. Se colocarán debajo del resumen (o abstract) respectivamente, con un máximo de 5 palabras. Mismo estilo de texto que el resumen.
2.6 Cuerpo del texto
A una columna, con tipografía en altas y bajas, tipo Time New Roman a 11 puntos, interlínea normal y justificado. Se procurará que la redacción sea lo más
concisa posible, con los siguientes apartados:
2.6.1 Introducción
Deberá suministrar información suficiente que sea antecedente del tema desarrollado, de tal forma que permita al lector evaluar y entender los resultados del
estudio sin necesidad de tener que recurrir a publicaciones previas sobre el tema. Deberá contener además, las referencias que aporten información sobresaliente acerca del tema y evitar presentar una revisión exhaustiva.
2.6.2 Metodología o parte experimental
Deberá describir el diseño del experimento y contener suficiente información técnica, que permita su repetición. En esta sección deberá, presentarse cualquier
condición que se considere relevante en el estudio. También, deberán presentarse las técnicas o los métodos empleados. No deberán describirse detalladamente las técnicas o métodos de uso general; la descripción de métodos deberá limitarse a aquellas situaciones en que éstos sean novedosos o muy complicados.
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Información para autores
2.6.3 Resultados y discusión
Esta sección deberá contener los resultados de los experimentos y la interpretación de los mismos. Los resultados deberán presentarse con un orden lógico, de
forma clara y concisa, de ser posible en forma de tablas o figuras. Deberá evitarse presentar figuras de resultados que quizás podrían tener una mejor presentación en forma de tablas y viceversa. Cuando sea necesario presentar figuras o fotografías, su número deberá limitarse a aquellas que presenten aspectos
relevantes del trabajo o de los resultados del experimento. Si se utilizaron métodos estadísticos, solamente deberán incluirse los resultados relevantes.
2.6.4 Conclusiones
Deberán emanar de la discusión y presentarse en forma clara y concisa.
2.6.5 Reconocimientos
Incluir el reconocimiento a las instituciones o personas que suministraron los recursos, así como del personal que dío asistencia durante el desarrollo del
trabajo.
2.6.6 Referencias bibliográficas
Deberán citarse en el artículo con un número al final del párrafo (a1). Deben estar numeradas y aparecerán en el orden que fueron citadas en el texto, con la
siguiente información: Autores o editores, titulo del artículo, nombre del libro o de la revista, lugar, empresa editorial, año de publicación, volumen y número
de páginas.
2.6.7 Tablas, gráficas, imágenes, figuras y fórmulas
Deberán ser numeradas secuencialmente como aparecen en el texto, con números arábigos y haciendo referencia a ellos como Tabla 1. A, Fórmula 1. B… etc.
Tipografiado en altas y bajas, tipo Times New Roman a 10 puntos y cursiva con interlineado normal. En el caso de tablas, el título deberá indicarse en la parte
superior. En el caso de las gráficas, imágenes y figuras su título debe colocarse en la parte inferior y deberán tener calidad para impresión láser.
3. Responsabilidad y Derechos de Autor
El contenido de los artículos firmados es únicamente responsabilidad del autor(es) y no representan necesariamente los puntos de vista de los editores. El
material impreso puede reproducirse mientras sea sin fines de lucro y citando la fuente.
4. Envío de artículos
Los artículos deberán ser enviados a los editores a las siguientes direcciones electrónicas:
[email protected]
[email protected]
ó entregados en la Coordinación de Investigación de Instituto de Ingeniería Civil de la Facultad de Ingeniería Civil de la UANL.
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CICLO DE SEMINARIOS DE INVESTIGACIÓN
Universidad Autómona de Nuevo León
Facultad de Ingeniería Civil
CALENDARIO ENERO - JUNIO 2007
Fecha
2
Seminario
Efecto de las nano/partículas de SiO2 en las propiedades de morteros con
cemento Pórtland.
Corrosión en aceros de alta resistencia mecánica embebidos en concreto
9
Efecto de la reacción química-mecánica en las propiedades del cemento de alto
comportamiento
Propiedades físico-mecánicas de concretos económicos, durables y sustentables
a base de ceniza volante para uso estructural
Análisis y Diseño de puentes curvos
Marzo
16
23
30
Comportamiento hidrogeoquímico e hidráulico del acuífero del sureste del
Municipio de Saltillo, Coahuila, como fuente de abastecimiento de las comunidades ejidales
Producción de materiales de construcción basados en puzolanas artificiales con
Ca(OH)2
Corrosión del acero en morteros basados en puzolana natural expuestos a
cloruros y carbonatación
Efecto de la incorporación de un dopante (La, Sm) en fotocatalizadores de tipo
perovskita (NaMO3 M=Ta, Nb) aplicados en reacciones de degradación de
compuestos orgánicos.
Evaluación de la cinética de corrosión del acero G-42 sometido a 750 y 950°C
Abril
20
Comportamiento mecánico de bloques de concreto firbireforzado aligerado con
PET, para la autoconstrucción de vivienda en México
Evaluación de la eficiencia en rehabilitación de estructuras urbanas
4
Concretos Autocompactantes, Sustentables y Económicos con Altos Consumos
de Ceniza Volante para Uso Estructural
Comportamiento hidrogeoquímico del Valle del Hundido
Mayo
11
18
Ponente
Ing. Ismael Flores Vivian
Doctorado
Jorge Arellano Galindo
Licenciatura
Ing. Román Hermosillo Mendoza
Maestría
M.C. Jorge M. Rivera Torres
Maestría
Ing. Walter Vélez Rodriguez
Maestría
Ing. Fernando A. Villarreal Reyna
Maestría
Alejandro Herrera González
Licenciatura
José Pacheco Farías
Licenciatura
L.Q.I. Ma. Elena Meza de la Rosa
(Maestría)
Ing. Daniel A. Hernández Galván
Doctorado
Bianca C. Guevara Moreno
Licenciatura
M.C. Francisco González Díaz
Doctorado
Ing. Pedro A. Ramírez Garza
Maestría
Ivan Alejandro García Lizcano
Licenciatura
Ing. Leticia Gallegos Montalvo
Mestría
Ing. José María Zárate Caballero
Maestría
Q.B.P. Karina del Angel Sánchez
Maestría
Estudio experimental de muros de mampostería confinada de bloques de
concreto. Primera Parte: Comportamiento General de los Especímenes
Estudio experimental de muros de mampostería confinada de bloques de
concreto. Primera Parte: Caracterisación de la Respuesta
Síntesis, caracterisación y evaluación fotocatalítica del Na2Ti6O13 en la fotodegradación del 2,4 Dinitroanilina y Azul de metileno
Determinación de la reactividad de adiciones minerales de origen natural con el
Arq. Roberto R. Méndez Mariano Maestría
cemento Pórtland
Coordinador
Dr. Pedro Valdez Tamez
[email protected]
Tel. (81) 8352-4969 ext 285
CIENCIA FIC
REVISTA DE DIVULGACIÓN CIENTÍFICA Y TECNOLÓGICA
FACULTAD DE I NG E N I E R I A C I V I L
Universidad Autónoma de Nuevo León
No. 1 Cuatrimestral
MURAL UBICADO EN EL FRONTISPICIO DE LA FIC-UANL. AUTOR DEL MURAL: FEDERICO CANTÚ
Volumen I Número 1 Ene. – Abr. 2007
ISSN: EN TRAMITE
Enero - Abril 2007