informe final - dirección de superación académica

FONDO DE DESARROLLO CIENTÍFICO Y TECNOLÓGICO PARA EL FOMENTO DE LA PRODUCCIÓN Y FINANCIAMIENTO DE VIVIENDA Y EL CRECIMIENTO DEL

SECTOR HABITACIONAL CONAFOVI-CONACYT

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INFORMEFINAL

1.DATOSGENERALES Clave del proyecto 127316 Convocatoria: S0003-2009-1 Título del proyecto Desarrollo de modelo analítico para el análisis estático y dinámico de

edificaciones de mampostería de varios niveles

Responsable técnico del proyecto:

Dr. Guillermo Martín Roeder Carbo

Institución y Dependencia Universidad de Colima, Facultad de Ingeniería Civil Fecha

20 de junio de 2012

2.RESUMENDEL PROYECTO Este proyecto abordó el tema de diseño de edificaciones de mampostería de varios niveles, desde el punto de vista de la ingeniería estructural. Se estudiaron modelos constitutivos que simulan el comportamiento no-lineal del material y que se utilizan comúnmente en la mecánica de daño de materiales casi-frágiles, para definir criterios de análisis simples que se puedan emplear en un marco simple de análisis dinámico modal espectral de planos resistentes que se forman por marcos o muros de mampostería. Con este objetivo, se construyó una herramienta computacional que se denominó AS3D (Análisis seudo tridimensional de edificios a base de marcos de mampostería, concreto y acero o un sistema de materiales heterogéneos). Para complementar los pasos de diseño, se construyeron también herramienta para el análisis, llamada ANLOS, de losas y estimar las cargas axiales en cada piso de las edificaciones, sin necesidad de calcular áreas de influencia sobre los muros de mampostería. Además, se escribieron programas de ayuda para el cálculo de las propiedades geométricas de diafragmas rígidos basados en el teorema de Green transformando integrales de superficie a integrales de línea, para sólo proporcionar el contorno de las losas mediante puntos que describan la topología de éstas. Para proporcionar ayudas de diseño, y verificar la resistencia a flexo-compresión de muros de mampostería en edificaciones altas, también se diseño un programa sencillo que proporciona dicho diagrama de interacción, denominado DIMM. Para validar los resultados del programa final, producto de esta investigación, se compararon los resultados con programas de uso comercial y en investigación, en este caso el RUAUMOKO. Para realizar este proyecto, se incorporaron 8 estudiantes de licenciatura y dos de maestría como apoyo en la programación y en la prueba de las herramientas. También se obtuvieron resultados



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con respecto a los costos de una estructura de mampostería de cinco niveles y una de concreto reforzado del mismo número de pisos. Para establecer costos comparativos de edificaciones de estructuras de mampostería y de concreto reforzado. Con respecto a la formación de recursos humanos, se involucraron en este proyecto a seis estudiantes de licenciatura y dos de maestría en la primera parte del trabajo y dos de licenciatura en la parte final del proyecto. De seis estudiantes que se becaron en la primera parte, tres lograron terminar su tesis de licenciatura y los dos estudiantes de licenciatura de la segunda parte del proyecto, están en el proceso de titulación. 3.RESULTADOSDE LA INVESTIGACIÓN 3.1 Metas y objetivos alcanzados Los objetivos principales que se propusieron en este proyecto fueron: proponer un modelo que refleje las características de la zona rígida de conexión, a manera de columna ancha, para estructuras de mampostería confinada y reforzada interiormente, porcentaje de agrietamiento de los elementos de muros y la longitud de contribución de los elementos transversales, desarrollando un sistema computacional en donde se incorporen éstos. De estos objetivos se lograron:

1. La propuesta de longitud de brazo rígido, en donde se considera como zona rígida en los extremos de los elementos de liga entre muros el 80% del semi peralte de los éstos.

2. Longitudes de contribución de muros transversales para evaluar la rigidez lateral de los muros de interés.

3. Desarrollo de sistema computacional AS3D, que puede analizar estructuras de mampostería, de concreto y de acero.

La propuesta de encontrar un porcentaje de agrietamiento en la sección bruta de los muros no se logró, pues los resultados del análisis no-lineal no fueron concluyentes en el aspecto de los agrietamientos, mostrando poca uniformidad para definir una propuesta adecuada. Las metas que se lograron con los estudiantes adscritos al proyecto son las siguientes:

1. Revisar los antecedentes de los temas relacionados al diseño de estructuras de mampostería, para resumir los distintos criterios que se suelen utilizar que se plantearán en este proyecto. Esta primera meta se logró a través de los trabajos de tesis de los estudiantes y se aplicaron en la tesis del Ing. Gerardo Sarabia Mora.

2. Obtener información de pruebas realizadas en laboratorio de estas estructuras, para analizar los resultados y calibrar los parámetros inelásticos de los materiales constituyentes con la intención de elaborar, en la siguiente fase: los micro-modelos numéricos idóneos con los que se puedan experimentar cambiado la topología de los elementos estructurales ante diversas condiciones de cargas no contempladas en los experimentos físicos. Esta meta se logró a través de resultados observados en trabajos de tesis doctorales y de artículos que tratan con el comportamiento inelástico de estructuras de mampostería.

3. Realizar experimentos numéricos basados en el método de los elementos finitos empleando relaciones constitutivas no-lineales, basadas en modelos de plasticidad y de agrietamiento distribuido, que simulen el comportamiento inelástico de los materiales de mampostería, concreto y acero de refuerzo, desarrollando micro y macro-modelos



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apropiados. Esta meta se logró y se muestran los resultados en las tesis de los ingenieros Alma Gabriela García Guzmán y José Antonio Cárdenas Sánchez. Además, Los estudiantes José Manuel Peregrino Núñez y Roberto Padilla Gaspar, elaboraron información para modelos espaciales de elementos finitos no-lineales para obtener valores de longitudes de contribución transversal de muros a la rigidez lateral.

4. Con base a los resultados del paso dos, se realizaron experimentos numéricos basados en el método de los elementos finitos empleando relaciones constitutivas no-lineales, basadas en modelos de plasticidad y de agrietamiento distribuido, que simulen el comportamiento inelástico de los materiales de mampostería, concreto y acero de refuerzo, desarrollando micro y macro-modelos apropiados, si es que se requiere una información detallada de la respuesta estructural de los modelos, que servirá para definir las características de las zonas rígidas de las conexiones, porcentaje de agrietamiento de las secciones transversales de los muros y la longitud de contribución de muros transversales. Estos resultados se muestran en los trabajos de tesis y en los reportes de los alumnos, logrango alcanzar esta meta.

5. Diseñar la herramienta computacional AS3D permitió cumplir la meta de la implementación de criterios de diseño para edificios de altos de mampostería. Además, se complementó con otras herramientas que permiten análisis estático de cargas verticales en muros de mampostería confinada o armada interiormente y confinada, ANLOS, y para obtener propiedades geométricas de diafragmas rígidos y diagramas de interacción de muros de mampostería. Todos estos programas se codificaron en Fortran.

6. Tres tesis de licenciatura en la primera parte y dos de licenciatura en la segunda, en proceso. Los artículos que se propusieron como productos de este proyecto no se lograron por el tiempo que se consumió en entrenar a los estudiantes de licenciatura en el análisis no-lineal de estructuras con materiales casi-frágiles y el análisis dinámico modal espectral, temas aún difíciles de tratar con alumnos de maestría.

7. Aunque no fue una parte de las metas, se logró evaluar los costos de un edificio de mampostería de 5 niveles y otro, con la misma arquitectura, de concreto reforzado. Se encontró que una estructura de mampostería es más costosa por la mano de obra que necesita, a pesar que los volúmenes de material para el edificio de concreto reforzado es mayor.

8. Comparación de resultados de modos y modal espectral con el AS3D y Ruaumoko, logrando resultados con diferencias menores al 5% para los edificios propuestos.

En conclusión, se logró una propuesta de herramienta de análisis computacional para el desarrollo dinámico de edificaciones de mampostería de varios niveles donde se implementan los criterios comentados anteriormente; se incluye también una herramienta para el análisis estático ante cargas verticales de los muros encontrando las reacciones de los apoyos de las losas, que son en realidad los muros de mampostería. Estas herramientas son código libre y se pueden implantar en sistemas UNIX, LINUX, MAC-OSX y Windows. 3.2 Contribución técnica del proyecto El proyecto en sí ha aportado cuatro elementos que se pueden considerar exitosos: a) criterios de análisis para el diseño de estructuras de mampostería, b) desarrollo de sistemas computacionales para el análisis dinámico y estático aplicado a edificios de mampostería y c) una alternativa de proceso de diseño que puede ser competitiva con los otros procedimientos utilizados por los



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diseñadores y d) la formalización de los supuestos detonantes y barreras de la innovación en el sector. El sistema computacional es susceptible de ser utilizado para implementación de criterios de análisis y diseño alternativos por otros investigadores del área e incluso por firmas comerciales de software que desarrollan programas de diseño de este tipo de estructuras. El proceso de diseño que se ha implementado en este trabajo de investigación, es un complemento a los establecidos por los reglamentos de diseño de estructuras de mampostería que se utilizan en México y que puede implementarse para el diseño sísmico por desempeño de estas construcciones. Los productos son novedosos y se pueden generar derechos de autor en cada sistema computacional. 3.3 Productos de la Investigación Se obtuvieron las siguientes tesis de licenciatura:

Alma Gabriela García Guzmán, presentada en agosto del año 2011 José Antonio Cárdenas Sánchez, presentada en agosto del año 2011 Gerardo Moisés Sarabia Mora, presentada agosto del año 2011 Daniel Rodríguez Vázquez (2012). Por presentar. Leobardo de Jesús Jiménez Peredia (2012). Por presentar.

Se obtuvieron el reporte de este proyecto:

Análisis seudo tridimensional de edificios de mampostería AS3D con el responsable del proyecto y los estudiantes.

Se obtuvieron los siguientes reportes de estudiantes:

García (2011). Cárdenas (2011). Sarabia (2011). Peregrino y Padilla (2012). Frhavell Isaac Maldonado Ávalos(2012). Rodríguez (2012). Jiménez (2012). Selene Cárdenas y Manuel Negrete (2012).

3.4 Formación de recursos humanos De los alumnos participantes tres obtuvieron el grado comprometido con tesis derivada del proyecto, en este caso todos de licenciatura son: Alma Gabriela García Guzmán, (2011), José Antonio Cárdenas Sánchez (2011) y Gerardo Moisés Sarabia Mora (2011). Asimismo, participaron José Manuel Peregrino Núñez (2011-2012), Roberto Padilla Gaspar(2011-2012) y Frhavell Isaac Maldonado Ávalos (2011-2012), quienes obtuvieron su grado por medio de otras opciones. Losa estudiantes Daniel Rodríguez Vázquez y Leobardo de Jesús Jiménez Peredia presentarán su tesis en agosto de este año. Todos ellos obtuvieron y obtendrán respectivamente su título de la Universidad de Colima a través de la Facultad de Ingeniería Civil.



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Dos estudiantes de la Maestría en Ingeniería Civil, Selene Cárdenas Rodríguez y José Manuel Negrete Ramírez, recibieron beca del proyecto por tres meses para apoyar en la codificación del programa LOSA. Ellos terminaron sus créditos en julio del presente año y tienen pendiente la conclusión de sus tesis. 3.5 Colaboración interinstitucional y multidisciplinaria En este proyecto no hubo colaboración interinstitucional puesto que se desarrolló completamente en la Facultad de Ingeniería Civil de la Universidad de Colima. En cuanto al grupo de trabajo, debe decirse que el trabajo de cada uno de los colaboradores fue esencial para lograr las metas y objetivos del proyecto. El trabajo de laboratorio fue especialmente demandante de tiempo y esfuerzo. En este aspecto, la labor del MC Ramiro Licea Panduro en la asesoría técnica y supervisión de los trabajos fue esencial a el alumno asignado Frhavell Isaac Maldonado Ávalos. El Dr. Agustín Orduña participó en la evaluación estructural de las contribuciones de muros transversales. Esta labor la realizó en colaboración con sus estudiantes asesorados José Manuel Peregrino Núñez, Roberto Padilla Gaspar en modelos elementos finitos no-lineales. El Dr. Guillermo Martín Roeder Carbo coordinó todas las actividades del proyecto como Responsable Técnico del mismo. Asesoró a Alma Gabriela García Guzmán, José Antonio Cárdenas Sánchez, Gerardo Moisés Sarabia Mora, Daniel Rodríguez Vázquez, Leobardo de Jesús Jiménez Peredia, Selene Cárdenas Rodríguez y José Manuel Negrete Ramírez. Finalmente, debe reconocerse que el proyecto no se hubiera podido desarrollar sin el trabajo constante y eficiente del Responsable Administrativo del mismo, el CP Jesús Cuevas Muñiz. 4.IMPACTODE LA INVESTIGACIÓN ENLOSSECTORESUSUARIOS 4.1 Productos de la investigación transferidos a los usuarios Se han llevado a cabo acciones parciales a los estudiantes de ingeniería civil de la Universidad de Colima y a miembros del Colegio de Ingenieros Civiles de. El producto principal transferido es el sistema computacional AS3D. 4.2 Mecanismos de transferencia utilizados Se están preparando presentaciones diversas en el estado de Colima, especialmente en el Colegio de Ingenieros Civiles de este estado. Se están desarrollando artículos para revistas con los logros de este proyecto. Además se ha elaborado un reporte técnico con detalles de uso con ejemplos que puede ser reescrito para que pueda presentarse como libro. También se entregan los códigos fuentes de los productos de este proyecto. 4.3 Beneficio potencial del proyecto El proyecto permitió hacer una revisión de las recomendaciones para el diseño de estructuras de edificios de varios niveles de mampostería, proponiendo recomendaciones que pueden ser útiles para los investigadores. Esta revisión se puede transferir a las autoridades de los municipios y a los



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colegios de ingenieros civiles de México, con el fin de que se generen y apliquen estrategias que permitan mejorar la calidad de los diseños, mediante la aplicación del proceso y recomendaciones presentadas. El otro beneficio potencial del proyecto es la generación de un sistema computacionalpara el análisis dinámico y estático de estructuras a base de mampostería, incluso concreto reforzado y acero. Estas propuestas requieren continuar su desarrollo y evaluación para convertirse en una opción técnica viable. Esta es un área de oportunidad que queda abierta en la Facultad de Ingeniería Civil de la Universidad de Colima. 4.4 Compromisos asumidos por los usuarios No se han contemplado compromisos por parte de los usuarios. 4.5 Observaciones a la evaluación de los usuarios Los usuarios no han evaluado el proyecto, por tanto no hay observaciones al respecto. 5.APLICACIÓNDELOSRECURSOSFINANCIEROS 5.1 Resumen financiero La información financiera se presenta en anexo. Las principales diferencias del ejercicio del presupuesto respecto de lo programado son, por un lado, que prácticamente no se gastó en estancias académicas puesto que no fue posible terminar los artículos para congresos. Por el otro lado, se destinaron $204,000 pesos al pago de becas a los estudiantes de licenciatura y maestría. Los gastos corrientes totales, incluyendo acervos, software y gastos de operación llegaron a ser en total de $313,565.02 pesos. Finalmente, los gastos de inversión en equipos de cómputo llegan a una cantidad de 200,129.0 pesos, gastando en total en el proyecto la cantidad de $513,694.02 pesos; hubo un sobrante de $137,305.98 pesos que se reintegra al fondo. 5.2 Resumen de aportaciones complementarias El proyecto no contó con aportaciones complementarias. 6.RECOMENDACIONES 6.1 Para la implantación de las acciones derivadas de la investigación Estrictamente no hay acciones concretas derivadas de esta investigación. Sin embargo es posible hacer recomendaciones para el uso de los resultados por el sector usuario. En primer lugar se recomienda el apoyo y promoción de los criterios de diseño que permitan conocer un proceso alternativo de análisis sísmico de edificaciones de mampostería comparada con la práctica usual que se realiza en distintas regiones del país. Esto permitiría desarrollar y/o corregir normas de



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diseño obteniendo construcciones apropiadas a y dejar de depender, como hasta ahora, de las Normas del Distrito Federal (GDF 2004), que no necesariamente son aplicables en otros lugares. En particular se sugiere que se corrijan los criterios propuestos por GDF (2004) para el diseño de estructuras de mampostería. Los experimentos numéricos son una gran alternativa, por el bajo costo que representa modelar aproximadamente el comportamiento de muros completos , donde se incluye el reforzamiento, inclusive edificios de mampostería para observar el daño en éstos. Se sugiere, asimismo, apoyar y promover el desarrollo de sistemas constructivos innovadores para vivienda de interés social. Estos desarrollos deben de acompañarse de evaluaciones exhaustivas en cuanto al desempeño estructural, térmico, acústico, factibilidad técnica y financiera, entre otros. En particular pueden emplearse las técnicas de pensamiento progresivo para generar, a través de expertos en el ramo, propuestas de sistemas constructivos que posteriormente se evalúen por Universidades y/o grupos de investigación reconocidos. 6.2 Para la difusión de los resultados Los usuarios potenciales de la información generada de los sistemas computacionales, son los investigadores, diseñadores de estas estructuras y desarrolladores de software. Asimismo, esta información conviene hacerla llegar a los diseñadores y estudiantes de la región y en toda la república mexicana. Aunque esta información tiene que complementarse con otros estudios similares con variaciones en los procedimientos de diseño, es importante difundirla para crear al menos la conciencia que las recomendaciones de diseño que muestran los reglamentos y que se usan comúnmente pueden no ser los más apropiados. Los resultados del sistema innovador pueden difundirse entre empresas desarrolladoras de software para incentivar su interés por el desarrollo de nuevos productos que les permitan fortalecer su mercado. Este tipo de empresas pueden, un momento dado, financiar el desarrollo a detalle de la propuesta.



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7.ANEXOS 7.1 Resúmenes financieros 7.2 Productos generados e información de soporte REFERENCIAS [1] Roeder G. (2012), Reporte Técnico: Análisis seudo tridimensional de edificios de mampostería,

Facultad de Ingeniería Civil, Universidad de Colima. Colima, México. [2] Cárdenas S. José (2011), Modelos de análisis lineal y no-lineal para elementos de mampostería

confinada, Tesis de licenciatura, Facultad de Ingeniería Civil, Universidad de Colima. Colima, México.

[3] García, Alma G. (2011), Estimación del comportamiento de las zonas rígidas en las conexiones con muros de mampostería confinada: Propuesta de longitud de brazos rígidos, Tesis de licenciatura, Facultad de Ingeniería Civil, Universidad de Colima. Colima, México.

[4] Sarabia, Moisés G. (2011), Análisis y diseño de tres edificios de mediana altura de mampostería reforzada, interiormente usando las Normas Técnicas Complementarias del Distrito Federal (2004), Tesis de licenciatura, Facultad de Ingeniería Civil, Universidad de Colima. Colima, México.

[5] Rodríguez D, (2012), Comparación de costos entre un edificio de concreto reforzado y de mampostería confinada de cinco niveles Tesis de licenciatura, Facultad de Ingeniería Civil, Universidad de Colima. Colima, México.

Dr. Guillermo Martín Roeder Carbo 20 de junio de 2012 NOMBRE Y FIRMA DEL DIRECTOR DE PROYECTO FECHA

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