Identificación de patologías en función del ambiente y el uso en estructuras civiles - caso de estudio : estructuras en concreto reforzado

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(1)IDENTIFICACIÓN DE PATOLOGÍAS EN FUNCIÓN DEL AMBIENTE Y EL USO EN ESTRUCTURAS CIVILES.. CASO DE ESTUDIO: ESTRUCTURAS EN CONCRETO REFORZADO. CARLOS ARMANDO LÓPEZ SOLANO. DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA DE SISTEMAS Y COMPUTACIÓN. UNIVERSIDAD DE LOS ANDES BOGOTÁ COLOMBIA 26 DE ENERO DE 2012.

(2) Tabla de Contenido 1 2. Introducción .......................................................................................................................1-1 Definición del problema ................................................................................................2-1 2.1 Motivación ................................................................................................................................ 2-1 2.2 Enunciado del problema ..................................................................................................... 2-1 2.3 Resultados esperados .......................................................................................................... 2-2 2.3.1 Con respecto al dominio – patologías/concreto ............................................................ 2-2 2.3.2 Con respecto a los KBS.............................................................................................................. 2-2 2.4 Preguntas de investigación ................................................................................................ 2-3 2.4.1 Sobre el conocimiento necesario para el sistema.......................................................... 2-3 2.4.2 Sobre el análisis estructural y la influencia del contexto ........................................... 2-3. 3. Objetivos y metodología ................................................................................................3-1 3.1 Objetivo general ..................................................................................................................... 3-1 3.2 Objetivos específicos ............................................................................................................ 3-1 3.3 Metodología utilizada........................................................................................................... 3-1 3.3.1 Consulta a expertos sobre patologías en concreto y otros materiales. ................ 3-1 3.3.2 Herramientas que permitan cumplir con los objetivos propuestos ...................... 3-2 3.3.3 Creación de la ontología que permite describir el contexto y su relación con la estructura .......................................................................................................................................................... 3-2 3.3.4 Creación de un sistema experto basado en reglas ........................................................ 3-4 3.3.4.1. Determinación de los árboles de falla para el caso de estudio .............................................3-5. 3.3.5 Creación de software necesario para el uso de modelos de degradación matemáticos ..................................................................................................................................................... 3-5. 4. Fundamentos teóricos y tecnologías .........................................................................4-1. 4.1 Fundamentos teóricos en diseño estructural por durabilidad ............................. 4-1 4.1.1 Estructuras en ingeniería civil y arquitectura ................................................................ 4-1 4.1.1.1 Definición de estructura.........................................................................................................................4-1 4.1.1.2 Análisis estructural ..................................................................................................................................4-1 4.1.1.3 Diseño estructural ....................................................................................................................................4-1 4.1.1.4 Materiales utilizados en la construcción de estructuras .........................................................4-2 4.1.1.4.1 El concreto reforzado (armado) ..................................................................................................4-2 4.1.1.4.2 El acero ...................................................................................................................................................4-3 4.1.1.4.3 La madera ..............................................................................................................................................4-4. 4.1.2. Patología ......................................................................................................................................... 4-5. 4.1.3 4.1.4 4.1.5 4.1.6. Durabilidad .................................................................................................................................. 4-10 Vida útil ......................................................................................................................................... 4-10 Vida residual ............................................................................................................................... 4-10 Estado Límite de servicio y estado de límite último................................................... 4-10. 4.1.2.1 Métodos actuales de análisis de patologías en concreto reforzado ....................................4-5 4.1.2.1.1 Métodos reactivos ..............................................................................................................................4-6 4.1.2.1.2 Métodos proactivos ...........................................................................................................................4-7 Método basado en la teoría de probabilidad de falla ................................................................................4-7 Métodos integrales de diseño ..............................................................................................................................4-8. i.

(3) 4.1.6.1 Modelos de durabilidad ....................................................................................................................... 4-11 4.1.6.1.1 Modelo de durabilidad para deterioro superficial ........................................................... 4-12 4.1.6.1.2 Modelo de durabilidad para corrosión .................................................................................. 4-14 4.1.6.1.2.1 Tiempo de iniciación de la carbonatación ................................................................... 4-15 4.1.6.1.2.2 Tiempo de iniciación de la penetración por cloruros ............................................ 4-16 4.1.6.1.2.3 Periodo de propagación ...................................................................................................... 4-18 4.1.6.1.2.4 Estimación de la vida útil debida a la corrosión de las armaduras .................. 4-19. 4.1.7. Árboles de falla (20) ................................................................................................................ 4-19. 4.1.7.1 Metodología usada en los árboles de falla .................................................................................. 4-19 4.1.7.1.1 Representación gráfica ................................................................................................................. 4-20 4.1.7.1.2 Fundamentación matemática .................................................................................................... 4-22. 4.1.8 Procedimiento general para el diseño por durabilidad (6)..................................... 4-23 4.2 Fundamentos teóricos en Ingeniería de sistemas y computación .................... 4-25 4.2.1 Ontologías .................................................................................................................................... 4-25 4.2.1.1 4.2.1.2 4.2.1.3. 4.2.2. Definición de ontología (21) ............................................................................................................. 4-26 Tipos de ontologías ............................................................................................................................... 4-28 Sistemas y metodologías para la creación de ontologías ..................................................... 4-31. Sistemas basados en conocimiento (KBS) ...................................................................... 4-32. 4.2.2.1 Sistemas expertos o sistemas basados en reglas ..................................................................... 4-32 4.2.2.1.1 Base de conocimiento: .................................................................................................................. 4-36 4.2.2.1.2 Base de hechos ................................................................................................................................. 4-37 4.2.2.1.3 Motor de inferencia ........................................................................................................................ 4-37 4.2.2.1.4 Interfaz de usuario.......................................................................................................................... 4-38 4.2.2.1.5 Módulo de adquisición de conocimiento .............................................................................. 4-38. 5. 6. Estado del arte ...................................................................................................................5-1. 5.1 Instrumentos de medición (Herramientas reactivas) para el análisis de patologías presentes en estructuras ............................................................................................ 5-1 5.1.1 Rehabilitación de estructuras en concreto reforzado (Situación actual) (15) .. 5-2 5.2 Herramientas de software (Herramientas proactivas) utilizadas en previsión de patologías de estructuras ........................................................................................................... 5-3 5.2.1 Criterios comparativos entre herramientas proactivas ............................................. 5-4 5.2.2 SAP2000 (Software Integrated for Structural Analysis & Design) ......................... 5-5 5.2.3 ETABS .............................................................................................................................................. 5-6 5.2.4 SIMCO STADIUM ......................................................................................................................... 5-7 5.3 Análisis comparativo y propuesta de solución (SAC^3) .......................................... 5-7. Propuesta de solución: SAC^3......................................................................................6-1. 6.1 Descripción General.............................................................................................................. 6-1 6.2 Métodos de solución ............................................................................................................. 6-2 6.2.1 Ontología específica para la representación del contexto de estructuras civiles y su relación con el tipo de material utilizado en su construcción ............................................... 6-3 6.2.2 Representación de árboles de falla en reglas para su aplicación en el diseño de estructuras por durabilidad....................................................................................................................... 6-4 6.3 Descripción detallada........................................................................................................... 6-7 6.3.1 Beneficios de SAC^3 ................................................................................................................ 6-10 6.3.2 Asociación de los módulos a los usuarios del sistema .............................................. 6-11 ii.

(4) 7. Análisis y Diseño ...............................................................................................................7-1. 7.1 Análisis ...................................................................................................................................... 7-1 7.1.1 Requerimientos funcionales................................................................................................... 7-1 7.1.2 Requerimientos no funcionales ............................................................................................ 7-2 7.1.3 Análisis de la solución ............................................................................................................... 7-2 7.1.3.1 7.1.3.2. Estudio de viabilidad. ..............................................................................................................................7-2 Definición de la infraestructura tecnológica .................................................................................7-4. 7.2 Diseño ........................................................................................................................................ 7-5 7.2.1 La arquitectura de la solución ............................................................................................... 7-5 7.2.2 Casos de uso ................................................................................................................................ 7-10 7.2.3 Diagrama de componentes ................................................................................................... 7-13 7.2.4 Diagrama de clases por componentes .............................................................................. 7-16 7.2.5 Diseño de la interfaz de usuario ......................................................................................... 7-18 7.2.5.1 7.2.5.2. 8. Implementación ............................................................................................................. 8-35 8.1.1. 9. 1. Interfaz usuario de análisis de durabilidad ................................................................................ 7-18 Interfaz usuario de análisis de durabilidad ................................................................................ 7-23. Hardware requerido .................................................................................................................. 8-1. Resultados y análisis .......................................................................................................9-1. 9.1 Ontología para la representación de contexto y su relación con el tipo de material utilizado en el diseño de estructuras civiles. .......................................................... 9-1 9.2 Representación de árboles de falla en reglas para su aplicación en el diseño de estructuras por durabilidad ........................................................................................................... 9-1 9.3 Integración del sistema experto propuesto con herramienta de dibujo usada en Ingeniería civil ............................................................................................................................... 9-1 9.4 Conformación de archivos CLP para las reglas de inferencia utilizadas en SAC^3 9-1 9.5 Uso de trazas para identificar los procesos realizados por SAC^3 al obtener diagnósticos .......................................................................................................................................... 9-3 9.6 Obtención de reglas con prioridad indicada por el Usuario .................................. 9-5 9.7 Práctica Experimental: Cálculo del tiempo de durabilidad en función del contexto .................................................................................................................................................. 9-5 9.8 Ejemplo detección de degradaciones potenciales en un caso real paraeldesarrollodelproyectoSAC^3............................................................................................. 9-9. Conformacióndeuncasodeanálisis .......................................................................... 9-10 1.1 Descripcióndelproblema ................................................................................................. 9-10 1.1.1 Ubicación ...................................................................................................................................... 9-10 1.1.2 Datos del clima ........................................................................................................................... 9-10 1.1.3 Contaminantes presentes en el ambiente....................................................................... 9-11 1.1.4 Determinacióndelaszonasdelaestructura ....................................................................... 9-11 1.1.5 Seleccióndeelementosestructuralesdemuestraporcadazonadelaestructuraaanali zar 9-12. 2. Análisisdelcaso ............................................................................................................... 9-13 iii.

(5) 2.1 Análisisdecontexto ............................................................................................................. 9-13 2.1.1 Determinacióndelosgeneradoresdedegradacióninvolucrados ............................. 9-13 9.8.1 9.8.2. Generadores de factores de degradación biológicos .............................................................. 9-15. Determinación de factores de degradación por zonas .............................................. 9-16. Determinacióndeposiblespatologíaspresentadasencadaelementoestructuraldea cuerdoalosagentesagresivosinvolucrados ......................................................................................... 9-18 9.8.3 Determinaciónderecomendacionesquemitiguenoevitenlosefectosdelaspatología sposibles y Comprobacióndelestadolímitededurabilidaddeloselementos estructurales ... 919. 10. Conclusiones y trabajo futuro ............................................................................... 10-1. 11. Glosario de términos ................................................................................................ 11-1. 12. Anexos ........................................................................................................................... 12-1. 12.1 Algunos métodos reactivos para análisis de patologías (45) ......................... 12-1 12.1.1 Métodos de medida de corrosión en armaduras ......................................................... 12-1 12.1.1.1 12.1.1.2 12.1.1.3 12.1.1.4. 12.1.2. Potencial de media celda ............................................................................................................... 12-1 Medida de resistividad ................................................................................................................... 12-2 Pulso galvanostático ........................................................................................................................ 12-2 Guarda de corriente ......................................................................................................................... 12-5. Métodos de medida de velocidad de corrosión ............................................................ 12-7. 12.1.2.1 12.1.2.2 12.1.2.3. Curvas de polarización ................................................................................................................... 12-7 Ruido electroquímico ...................................................................................................................... 12-8 Ensayo potenciostático .................................................................................................................. 12-8. 12.2 Reglas generadas por SAC^3 para el material concreto reforzado a partir de árboles de falla. ................................................................................................................................. 12-9 12.3 Algunos de los modelos matemáticos utilizados en durabilidad (1).........12-16. 13. Referencias .................................................................................................................. 13-1. iv.

(6) Tabla de Ilustraciones ILUSTRACIÓN 1. REPRESENTACIÓN GRÁFICA DE LAS FUNCIONES R(T), S(T) Y PF A TRAVÉS DEL TIEMPO (FUENTE RILEM) ...............................................................................................................................................4-8 ILUSTRACIÓN 2 FRAGMENTO DE ÁRBOL DE FALLA QUÍMICO USADO POR EL SISTEMA PROPUESTO SAC^3 ..................................................................................................................................................................................... 4-22 ILUSTRACIÓN 3 ESQUEMA DEL DISEÑO POR DURABILIDAD (1)......................................................................... 4-24 ILUSTRACIÓN 4ESPECTRO DE ONTOLOGÍAS (FUENTE [LASSILA 2001]) ........................................................ 4-29 ILUSTRACIÓN 5 TIPOS DE ONTOLOGÍAS SEGÚN SU NIVEL DE GENERALIDAD. LAS FLECHAS REPRESENTAN RELACIONES DE ESPECIALIZACIÓN (FUENTE [GUARINO 1998]) ........................... 4-30 ILUSTRACIÓN 6 ESTRUCTURA DE UN SISTEMA EXPERTO ..................................................................................... 4-35 ILUSTRACIÓN 7 CAUSAS DE INTERVENCIÓN Y TIPOS DE INTERVENCIÓN USUALES EN ELEMENTOS ESTRUCTURALES PARRA SOLUCIÓN DE PATOLOGÍAS .....................................................................................5-2 ILUSTRACIÓN 8 ESQUEMA DEL CICLO DE LA SOLUCIÓN PROPUESTA ................................................................6-1 ILUSTRACIÓN 9 ONTOLOGÍA PARA EL ANÁLISIS DE LA INFLUENCIA DEL CONTEXTO SOBRE ESTRUCTURAS CIVILES ....................................................................................................................................................6-3 ILUSTRACIÓN 10 REPRESENTACIÓN DE LA ONTOLOGÍA PARA EL ANÁLISIS DE LA INFLUENCIA DEL CONTEXTO SOBRE ELEMENTOS ESTRUCTURALES DE UN MATERIAL ESPECÍFICO INCLUYENDO CARDINALIDAD Y EL NOMBRE DE LAS RELACIONES ENTRE CLASES .......................................................6-4 ILUSTRACIÓN 11 REPRESENTACIÓN GRÁFICA DE UN ÁRBOL DE FALLA UTILIZADO EN EL DISEÑO DE ESTRUCTURAS CIVILES POR DURABILIDAD ..........................................................................................................6-6 ILUSTRACIÓN 12 ESQUEMA DEL SISTEMA PROPUESTO SAC^3 ..............................................................................6-7 ILUSTRACIÓN 13 PROCEDIMIENTO QUE SE REALIZA EN EL MÓDULO DE ADQUISICIÓN DE CONOCIMIENTO ...................................................................................................................................................................6-8 ILUSTRACIÓN 14 PROCEDIMIENTO QUE SE REALIZA EN EL MÓDULO DE HECHOS Y PRESENTACIÓN DE RESULTADOS ..................................................................................................................................................................6-9 ILUSTRACIÓN 15 PROCEDIMIENTO QUE SE REALIZA EN EL MÓDULO DE MODELOS DE DEGRADACIÓN ................................................................................................................................................................................................... 6-10 ILUSTRACIÓN 16 PROCEDIMIENTO QUE SE REALIZA EN EL MOTOR DE INFERENCIA Y BASE DE CONOCIMIENTO ................................................................................................................................................................ 6-10 ILUSTRACIÓN 17 ESQUEMA DE FUNCIONAMIENTO SAC^3 ................................................................................... 6-11 ILUSTRACIÓN 18 HERRAMIENTAS USADAS EN LOS MÓDULOS DE SAC^3 ........................................................7-4 ILUSTRACIÓN 19 ÁRBOL DE FALLA QUÍMICO PARA ELEMENTOS ESTRUCTURALES DE CONCRETO REFORZADO ...........................................................................................................................................................................7-6 ILUSTRACIÓN 20 ÁRBOL DE FALLA FÍSICO PARA ELEMENTOS ESTRUCTURALES DE CONCRETO REFORZADO ...........................................................................................................................................................................7-7 ILUSTRACIÓN 21 ÁRBOL DE FALLA MECÁNICO PARA ELEMENTOS ESTRUCTURALES DE CONCRETO 79 ILUSTRACIÓN 22 ÁRBOL DE FALLA BIOLÓGICO PARA ELEMENTOS ESTRUCTURALES DE CONCRETO REFORZADO ........................................................................................................................................................................ 7-10 ILUSTRACIÓN 23 ÁRBOL DE FALLA GLOBAL PARA ELEMENTOS ESTRUCTURALES DE CONCRETO REFORZADO ........................................................................................................................................................................ 7-10 ILUSTRACIÓN 24 DIAGRAMA DE CASOS DE USO PARA EL SISTEMA PROPUESTO SAC^3 ....................... 7-11 v.

(7) ILUSTRACIÓN 25 DIAGRAMA DE COMPONENTES DEL SISTEMA PROPUESTO SAC^3 .............................. 7-14 ILUSTRACIÓN 26 DIAGRAMA DE CLASES DEL COMPONENTE INFERENTE .................................................... 7-16 ILUSTRACIÓN 27 DIAGRAMA DE CLASES DEL COMPONENTE EDITOR ............................................................ 7-17 ILUSTRACIÓN 28 INTERFAZ GRÁFICA AUTOCAD PARA EL USUARIO ............................................................... 7-19 ILUSTRACIÓN 29 INTERFAZ GRÁFICA. VENTANA DE CARGA DE CASO ............................................................ 7-20 ILUSTRACIÓN 30 INTERFAZ GRÁFICA AUTOCAD. VENTANA DE CREACIÓN DE CONTEXTO Y PRESENTACIÓN DE INFORMACIÓN DE CASO ..................................................................................................... 7-21 ILUSTRACIÓN 31 INTERFAZ GRÁFICA AUTOCAD. VENTANA DE CREACIÓN DE ZONAS........................... 7-22 ILUSTRACIÓN 32 INTERFAZ GRÁFICA AUTOCAD. VENTANA DE DIAGNÓSTICO .......................................... 7-23 ILUSTRACIÓN 33 INTERFAZ GRÁFICA DEL EXPERTO. SELECTOR DE ARCHIVOS CLP .............................. 7-24 ILUSTRACIÓN 34 INTERFAZ GRÁFICA DEL EXPERTO. MÓDULO PARA LA ADMINISTRACIÓN DE REGLAS DEL ARCHIVO CLP ELEGIDO ...................................................................................................................... 7-25 ILUSTRACIÓN 35 INTERFAZ GRÁFICA DEL EXPERTO. MÓDULO PARA LA ADMINISTRACIÓN DE REGLAS DEL ARCHIVO CLP ELEGIDO, CREACIÓN DE UNA REGLA CON UN SOLO CONECTOR .... 7-26 ILUSTRACIÓN 36 INTERFAZ GRÁFICA DEL EXPERTO. MÓDULO PARA LA ADMINISTRACIÓN DE REGLAS DEL ARCHIVO CLP ELEGIDO, CREACIÓN DE UNA REGLA SIMPLE .......................................... 7-27 ILUSTRACIÓN 37 INTERFAZ GRÁFICA DEL EXPERTO. MÓDULO PARA LA ADMINISTRACIÓN DE REGLAS DEL ARCHIVO CLP ELEGIDO, CREACIÓN DE LA PRIMERA PARTE DE UNA REGLA COMPUESTA ........................................................................................................................................................................ 7-28 ILUSTRACIÓN 38 INTERFAZ GRÁFICA DEL EXPERTO. MÓDULO PARA LA ADMINISTRACIÓN DE REGLAS DEL ARCHIVO CLP ELEGIDO, CREACIÓN DE LA PRIMERA PARTE DEL RESULTADO DE UNA REGLA COMPUESTA .............................................................................................................................................. 7-29 ILUSTRACIÓN 39 INTERFAZ GRÁFICA DEL EXPERTO. MÓDULO PARA LA ADMINISTRACIÓN DE REGLAS DEL ARCHIVO CLP ELEGIDO, LISTADO DE DATOS COMPUESTOS EN UNA PARTE DE REGLA..................................................................................................................................................................................... 7-30 ILUSTRACIÓN 40 INTERFAZ GRÁFICA DEL EXPERTO. MÓDULO PARA LA ADMINISTRACIÓN DE REGLAS DEL ARCHIVO CLP ELEGIDO, FINALIZACIÓN DEL RESULTADO DE UNA REGLA COMPUESTA ........................................................................................................................................................................ 7-31 ILUSTRACIÓN 41 INTERFAZ GRÁFICA DEL EXPERTO. MÓDULO PARA LA ADMINISTRACIÓN DE REGLAS DEL ARCHIVO CLP ELEGIDO, FINALIZACIÓN DE LA CREACIÓN DE UNA REGLA COMPUESTA ........................................................................................................................................................................ 7-32 ILUSTRACIÓN 42 INTERFAZ GRÁFICA DEL EXPERTO. MÓDULO PARA LA ADMINISTRACIÓN DE REGLAS DEL ARCHIVO CLP ELEGIDO, CAMBIO DE ORDEN ENTRE REGLAS ........................................ 7-33 ILUSTRACIÓN 43 INTERFAZ GRÁFICA DEL EXPERTO. MÓDULO PARA LA ADMINISTRACIÓN DE REGLAS DEL ARCHIVO CLP ELEGIDO, MENSAJE DE GENERACIÓN DE ARCHIVO CLP ..................... 7-33 ILUSTRACIÓN 44 FRAGMENTO DE ARCHIVO CLP DONDE SE PRESENTA EL CAMBIO DE REGLAS ..... 7-34 ILUSTRACIÓN 45 FRAGMENTO DE ARCHIVO CLP CON REGLAS CREADAS ..................................................... 7-34 ILUSTRACIÓN 46 CONFORMACIÓN LA APLICACIÓN SAC^3 ................................................................................... 8-35 ILUSTRACIÓN 47 INTERFACE IMANEJADOR .................................................................................................................. 8-37 ILUSTRACIÓN 48 INTERFACE IPRINCIPAL ..................................................................................................................... 8-38 ILUSTRACIÓN 49 CLASE TRAZA ........................................................................................................................................... 8-41 ILUSTRACIÓN 50 CLASES DIAGNOSTICO Y DEGRADACIÓN .................................................................................... 8-42 ILUSTRACIÓN 51 INTERFACE IPROCESADOR ............................................................................................................... 8-43 vi.

(8) ILUSTRACIÓN 52 VENTANA DE INFERENCIA ................................................................................................................ 8-45 ILUSTRACIÓN 53 VENTANA DE INFERENCIA. PRESENTACIÓN DE INFERENCIAS HECHAS ................... 8-46 ILUSTRACIÓN 54 VENTANA DE INFERENCIAS. PRESENTACIÓN DE RESULTADOS DE APLICACIÓN DE MODELOS DE DURABILIDAD ...................................................................................................................................... 8-47 ILUSTRACIÓN 55 CORTE TRANSVERSAL DE LA VIGA DE PRUEBA PARA EL CASO DE ESTUDIO .............9-6 ILUSTRACIÓN 56 TIEMPO DE VIDA DE SERVICIO DE UN ELEMENTO ESTRUCTURAL DE CONCRETO REFORZADO EN TRES DIFERENTES ESCENARIOS AFECTADO POR PENETRACIÓN POR CLORUROS...............................................................................................................................................................................9-8 ILUSTRACIÓN 57 . REPRESENTACIÓN GRÁFICA DE LAS ETAPAS DE TOMA DE DATOS Y ANÁLISIS DE CONTEXTO PARA ESTRUCTURAS CIVILES ..............................................................................................................9-9 ILUSTRACIÓN 58 ZONIFICACIÓN DEL EDIFICIO DE ACUERDO A SU USO (EN ESTE CASO, EXISTEN TRES ZONAS)................................................................................................................................................................................... 9-11 ILUSTRACIÓN 59 GEOMETRÍA Y COMPOSICIÓN DEL ELEMENTO ESTRUCTURAL USADO COMO MUESTRA PARA LAS TRES ZONAS DE LA CONSTRUCCIÓN .......................................................................... 9-12 ILUSTRACIÓN 60 CONFIGURACIÓN DE MEDIDA DE POTENCIAL MEDIA CELDA ......................................... 12-1 ILUSTRACIÓN 61 CONFIGURACIÓN PARA EL ENSAYO GALVANOSTÁTICO .................................................... 12-3 ILUSTRACIÓN 62 MODELO DE RANDLE ........................................................................................................................... 12-3 ILUSTRACIÓN 63 CURVAS DE TAFEL ................................................................................................................................. 12-4 ILUSTRACIÓN 64 CORRIENTE APLICADA Y RESPUESTA EN POTENCIAL, EN FUNCIÓN DEL TIEMPO .125 ILUSTRACIÓN 65 ENSAYO DEL PULSO GALVANOSTÁTICA. SIN GUARDA DE CONFINAMIENTO (IZQUIERDA), CON GUARDA DE CONFINAMIENTO (DERECHA) ................................................................ 12-6 ILUSTRACIÓN 66 CONFINAMIENTO NO MODULADO ................................................................................................ 12-7 ILUSTRACIÓN 67 CONFIGURACIÓN DE ELECTRODO PARA IMPLEMENTAR CONFINAMIENTO MODULADO. [5] ................................................................................................................................................................. 12-7 ILUSTRACIÓN 68 ENSAYO DE PULSO POTENCIOSTÁTICO ...................................................................................... 12-8. vii.

(9) 1 Introducción En los últimos treinta años el concepto de “Durabilidad” en el campo de la ingeniería civil ha tomado gran importancia. Los países industrializados han invertido grandes sumas de dinero en su investigación y se ha intentado desde hace varios años incluir recomendaciones básicas de durabilidad dentro de los códigos de diseño de estos países, siendo replicados y ajustados en los países latinoamericanos. El principio de estas recomendaciones ha sido dar las bases de diseño estructural por durabilidad en condiciones ambientales y de uso diversas pero comunes en cada país o región. Sin embargo, estas recomendaciones no contemplan la determinación de la durabilidad de una estructura en sí, sino que proporcionan reglas que permiten definir lo correcto o lo incorrecto a la hora de diseñar y construir elementos estructurales. En 1996 el reporte técnico RILEM (1) “Durability Design of Concrete Structures”, propuso una metodología sobre el diseño por durabilidad, enfocándose principalmente en asociar el diseño estructural por carga última y revisar las dimensiones diseñadas por durabilidad basándose en la necesidad de que las estructuras tengan su nivel mínimo de confiabilidad durante toda su vida útil a pesar de las degradaciones y el envejecimiento de los materiales con que se construyen. Dentro de la metodología propuesta por este reporte, se incluye la posibilidad de utilizar arboles de falla para determinar de forma sistemática las degradaciones potenciales partiendo de los factores y procesos de degradación existentes en el contexto en el que la estructura seconstruirá. Una de las principales dificultades en el desarrollo de los diseños por durabilidad consiste en determinar las degradaciones potenciales a las que una estructura se enfrentará durante su vida útil, por lo que en la presente tesis se propone un sistema basado en conocimiento que permita, a través del uso de árboles de falla representados en reglas de inferencia, determinar que degradaciones potenciales pueden afectar a una estructura y mediante la aplicación de modelos matemáticos de durabilidad, determinar el tiempo en que dichas degradaciones afectarán la estructura para que deje de ser confiable. El presente documento de tesis está organizado de la siguiente manera: Definición del problema: En este capítulo se presenta la motivación por la cual se realiza el proyecto, el enunciado del problema que se desea cubrir, especificando el dominio del proyecto, así como, la dificultad existente en la determinación de degradaciones potenciales y su aplicación en sistemas expertos basados, también se presentan los resultados esperados respecto a al dominio del problema y respecto a los sistemas basados en conocimiento. Adicionalmente, se presentan las preguntas de investigación que se desean solucionar con el desarrollo del sistema experto tanto en el ámbitode los sistemas expertos basados en reglas como en el diseño estructural basado en durabilidad. Objetivos y metodología: En este capítulo se presentan los objetivos de la investigación y del desarrollo del sistema experto basado en reglas propuesto. Adicionalmente, se presenta la metodología utilizada en el proyecto para obtener información de los expertos y su aplicación en sistemas expertos basados en reglas. 1-1.

(10) Fundamentos teóricos y tecnologías: En este capítulo se presenta la teoría necesaria para comprender tanto el problema como la solución propuesta. Se compone de dos partes: los fundamentos teóricos en ingeniería civil y los fundamentos teóricos necesarios en ingeniería de sistemas. Estado del arte: En este capítulo se hace un recorrido por las herramientas actuales con las que los ingenieros civiles trabajan para prevenir las degradaciones potenciales (herramientas proactivas) y para diagnosticar degradaciones ya existentes en la estructura (herramientas reactivas). Propuesta de solución: En este capítulo se describe la solución propuesta para la detección de degradaciones a partir de árboles de falla y su representación en reglas de inferencia, así como su implementación en los procesos de diseño estructural. Adicionalmente, se plantea la creación de un sistema experto basado en reglas. Análisis y diseño: En este capítulo se presenta el diseño del sistema experto basado en reglas propuesto. Implementación:En este capítulo se presenta se describen las características de la herramienta que se usará para implementar el sistema experto. Luego usando un caso como ejemplo se presenta el sistema en sí, la interfaz y su operatoria general Resultados obtenidos: Es este capítulo se presentan los resultados que se pueden obtener con el sistema experto propuesto y su utilidad práctica. Conclusiones y trabajo futuro:En este capítulo se presentan las conclusiones, detallándose los aportes originales que el trabajo de tesis ha generado en el dominio de conocimiento de la determinación de las degradaciones potenciales en estructuras civiles. Adicionalmente, se presentan aspectos y trabajos de investigación que se pueden considerar para ampliar la presente tesis. Referencias:se presenta la bibliografía que se ha usado en el presente trabajo y el detalle de las abreviaturas. Anexos:En este capítulo se presentan los anexos sobre los modelos de durabilidad utilizados y apartes del diseño del sistema propuesto. Cabe anotar que, La tesis presentada en este documento ha sido desarrollada dentro de dos dominios o áreas de conocimiento: la ingeniería civil y la ingeniería de sistemas. Debido a esto, los contenidos del documento dentro de cada sección presentan las explicaciones pertinentes en ingeniería civil para luego presentar las pertinentes en ingeniería de sistemas.. 1-2.

(11) 2 Definición del problema 2.1 Motivación La construcción de una obra civil implica varios procesos previos para llevarla a cabo, de los cuales existen dos de gran importancia: El análisis estructural, es decir, el análisis de las reacciones que se van a producir en la geometría de la estructura frente a las cargas que va a soportar, y el diseño estructural, en donde los resultados del análisis estructural se utilizan para definir los materiales y sus configuraciones (composición y distribución de los materiales con que se fabrican), con los cuales se deben construir los elementos estructurales. Pero estos dos procesos de cálculo tradicional solo permiten definir las capacidades mecánicas de la estructura y en casos particulares donde la estructura se ve afectada por su contexto, es decir, por el ambiente en el que se localiza y por el uso que se le da, se ven limitados y no pueden definir el comportamiento estructural en términos de durabilidad. Es por eso que los ingenieros calculistas deben incluir este concepto, para tener en cuenta factores adicionales que a través del tiempo cambian el comportamiento de la estructura, dichos factores son ajenos a las cargas ylas reacciones que deben enfrentar los elementos estructurales, los cuales corresponden a elementos ambientales y de uso, siendo todos estos el contexto en el que se encuentra la estructura. Al tener el concepto de durabilidad en los procesos de análisis y diseño estructural, es posible establecer, no solo la capacidad portante de la estructura sino que también es posible definir cuánto tiempo durará sin que se vea afectada su funcionalidad, su estética o su capacidad para soportar las cargas para las que fue diseñado. Actualmente, existen algunas aplicaciones de software que permiten definir los efectos del contexto sobre la estructura, pero se especializan por tipos de material, es decir, no tienen la flexibilidad suficiente para cambiar el análisis de contexto utilizando diversos materiales. Adicionalmente, no determinan los factores de degradación existentes, dejándolo como responsabilidad de los ingenieros calculistas. Actualmente, se plantea la necesidad de usar lenguajes ontológicos y reglas de inferencia que permitan aagentes inteligentes entender la lógica de los análisis de contexto de estructuras civiles para así ampliar la base de conocimiento sobre la influencia del ambiente y del uso en ellas, permitiendo a los ingenieros calculistas mejorar sus previsiones acerca de las posibles patologías que una construcción civil tendrá durante su vida útil. Por lo tanto, lo que motiva la creación de esta tesis es contribuir al desarrollo de herramientas de análisis mediante un sistema basado en conocimiento en el campo de la ingeniería civil, particularmente en el campo del diseño y análisis estructural basado en durabilidad.. 2.2 Enunciado del problema El análisis y diseño estructural permiten definir los elementos estructurales que en conjunto puedan soportar cargas y fuerzas externas, previendo su comportamiento en escenarios en donde se involucran eventoscomo los sismos, las ráfagas de viento, etc. Sin embargo, este análisis y diseño estructural tradicionales, están limitados a la 2-1.

(12) geometría y a las fuerzas que la estructura debe soportar, y en la mayoría de los casos, la información requerida para realizar el análisis de la influencia del ambiente o del uso sobre la estructura, solo se tiene en cuenta de forma generalizada, a partir de las normas de sismo-resistencia y en casos específicos, es difícil definir quéelementosdel ambiente o de uso son precursores de futuras patologías en la estructura, ya que estos son generadores de factores de degradación (1). Al conjunto de todos los elementos del ambiente y del uso se les denomina en este trabajo de tesis como el contexto de la estructura. Dicho contexto, afecta principalmente a los materiales y los elementos estructurales. Por lo general, el análisis del contexto de las construcciones en casos particulares, no se realiza mediante herramientas de software sino que queda en manos de los ingenieros calculistas, los cuales dependen de su experiencia para detectar los posibles factores de degradación que generan patologías en la estructura a través del tiempo. Actualmente, gracias a algunas organizaciones especializadas en la investigación de materiales de construcción de obras civiles,se ha estandarizado el lenguaje utilizado para la descripción del contexto y adicionalmente, se ha planteado la utilización de árboles de falla como medio de análisis del contexto para definir de forma sistemática, los factores y procesos de degradación que son más relevantes en la vida útil de una estructura. Sin embargo, el desarrollo de software para analizar la influencia del contexto sobre la estructura es escaso y no se cuenta con un vocabulario común que contenga definiciones de conceptos básicos así como sus relaciones, los cuales son necesarios para que sean interpretadas por máquinas.. 2.3 Resultados esperados Los resultados se pueden definir con respecto al dominio de aplicación y con respecto a los KBS. 2.3.1 Con respecto al dominio – patologías/concreto Se espera definir correctamente el concepto de contexto, teniendo en cuenta los principales elementos que lo conforman así como los factores que estos involucran en las patologías de las estructuras de concreto. Adicionalmente, se espera clasificar dichos factores del contexto para documentar su relación con las patologías de las estructuras. Se espera además, utilizar la metodología de los árboles de falla para definir factores y procesos de degradación, así como las degradaciones propiamente dichasen elementos estructurales, de acuerdo a las características del contexto de la estructura.. 2.3.2 Con respecto a los KBS Crear un Sistema basado en conocimiento que permita pronosticar las degradaciones potenciales de una estructura, basándose para ello de la información existente del contexto que la rodea, para así complementar el análisis y diseño estructural.Esto se hace mediante reglas de inferencia, derivadas de los árboles de falla, que dicho sistema puede 2-2.

(13) utilizar para deducir que factores y procesos de degradación son los que se deben analizar debido a su relevancia frente a la vulnerabilidad de la estructura.. 2.4. Preguntas de investigación. 2.4.1 Sobre el conocimiento necesario para el sistema • ¿Cuál conocimiento es necesario para el análisis de contexto? • ¿Es posible representar el conocimiento necesario a partir de árboles de falla que a través de su recorrido permitan deducir las degradaciones potenciales en un elemento estructural? • ¿Cómo se extrae? • ¿Es posible obtener los árboles de falla a través de la literatura especializada y de las experiencias de los expertos? • ¿Es posible representar los árboles de falla en reglas que puedan ser utilizadas por un motor de inferencia? • ¿Los resultados obtenidos, producto de las inferencias del sistema propuesto, pueden presentarse a través de herramientas de dibujo típicas en el trabajo de los ingenieros calculistas?. 2.4.2 Sobre el análisis estructural y la influencia del contexto ¿Cómo se puede relacionar el contexto de las construcciones civiles con las patologías que pueden presentar en su vida útil? ¿La relación contexto – patología estructural se puede generalizar mediante árboles de falla y su representación en reglas para todos los materiales y para todos los elementos de contexto?. 2-3.

(14) 3 Objetivos y metodología 3.1 Objetivo general Crear un sistema basado en conocimiento (KBS) que, mediante el uso de reglas de inferencia derivadas de árboles de falla que definen la influencia del contexto sobre el material con el que se construye, permita prever las degradaciones potenciales en estructuras civiles, para que los ingenieros calculistas puedan tomar medidas en el diseño estructuralpara así eliminarlas o por lo menos mitigarlas antes de su construcción.. 3.2 Objetivos específicos Crear una ontología que permita definir el contexto de una estructura civil con base en factores y procesos de degradación que lo definen. Con base en la ontología y con información obtenida de los expertos, crear arboles de falla que permitan definir de forma lógica los procesos que se llevan a cabo desde la presencia de factores de degradación en el contexto, pasando por los procesos que surgen de estos, hasta la generación de degradaciones en los elementos estructurales. Crear reglas de inferencia a partir de los árboles de falla para que sean utilizados por un sistema experto basado en reglas con el cual se pueda realizar diagnósticos tempranos acerca deladurabilidad de la estructura. Integrar modelos matemáticos de durabilidad que permitan determinar el tiempo de vida útil de una estructura de acuerdo a los datos de contexto existentes.. 3.3 Metodología utilizada Para cumplir con los objetivos propuestos en esta tesis se siguen los siguientes procedimientos y metodologías: Consulta a expertos sobre el tema de patologías en concreto y otros materiales. Selección de herramientas que permitan cumplir con los objetivos propuestos. Creación de la ontología que describe el contexto Creación del sistema basado en reglas Creación de software necesario para el uso de modelos de degradación matemáticos. 3.3.1 Consulta a expertos sobre patologías en concreto y otros materiales. Para comprender correctamente el problema así como la relevancia que tiene el sistema propuesto en la presente tesis en el ámbito del diseño estructural basado en la durabilidad, es necesario consultar con expertos en el tema de patologías en estructuras 3-1.

(15) civiles. Adicionalmente, con la consulta a expertos se busca establecer los procedimientos correctos que lleven al cumplimiento de los objetivos propuestos en esta tesis. La consulta a expertos se realiza a través de entrevistas con ingenieros que han tenido que lidiar con problemas de durabilidad, así como a través de la recopilación de documentos hechos por organizaciones especializadas en el tema de la durabilidad.. 3.3.2 Herramientasque permitan cumplir con los objetivos propuestos Para cumplir con los objetivos propuestos y dar solución al problema planteado se deben usar tres tipos de herramientas así: Una herramienta que permita describir el contexto en el que se encuentra la estructura, así como las relaciones existentes entre estos: Para lo cual, se propone el uso de una ontología, con la cual sea posible describir de forma genérica cualquier contexto con base en factores y procesos de degradación existentes en él, así como las degradaciones que pueden provocar en las estructuras. Adicionalmente es necesario tener una herramienta que permita inferir las degradaciones potenciales a partir de la descripción del contexto y de la relación entre contexto y estructura: Para esto se propone el uso de reglas que a partir de árboles de falla, permitan obtener los procesos de degradación, así como las degradaciones potenciales en elementos estructurales. Finalmente, es necesario tener una herramienta que permita realizar los cálculos necesarios para determinar el tiempo en que se va a producir la o las degradaciones, de acuerdo a modelos matemáticos existentes: Para esto es posible utilizar un componente tradicional de software en el que pueda incluirse diversos modelos matemáticos aprovechando el paradigma de la programación orientada a objetos.. 3.3.3 Creación de la ontología que permite describir el contexto y su relación con la estructura Para la creación de la ontología se ha utilizado la metodología propuesta por Noy y MacGuness (2), la cual sigue los siguientes pasos: 1. Determinar el dominio y el alcance de la ontología. Básicamente, esta actividad comprende delimitar el dominio que va a abarcar la ontología, para qué se va a usar, para quécuestiones debe proporcionar una respuesta la ontología y/o quién la utilizará y lamantendrá. Algunos de estos aspectos puede cambiar durante el diseño, pero conocerlos ayudará a acotar la ontología. 2. Considerar reutilizar otras ontologías existentes. En algunos casos, la reutilización puede contribuir a ahorrar trabajo a los desarrolladores, ya que, por ejemplo, se parte dedecisiones de diseño que ya han sido estudiadas y adoptadas. La reutilización puedellegar a ser un requisito si nuestro sistema debe interactuar con otras aplicacionesque han adoptado alguna ontología particular. En este sentido, 3-2.

(16) los sistemas derepresentación de conocimiento proveen herramientas que ayudan aexportar/importar otras ontologías. 3. Enumerar los términos relevantes de la ontología. Contar con una lista donde aparezcanlos términos sobre los que se van a hacer declaraciones en la ontología, suspropiedades, relaciones, etc., contribuye a no olvidarlos y tener que “rescatarlos.”en fases posteriores del proceso de desarrollo con un coste mayor. Esta lista detérminos y relaciones puede elaborarse sin atender a consideraciones sobre siexisten solapamientos entre unos y otros, o la oportunidad de modelar unconcepto como una clase o una propiedad, que podrán perfilarse en fasesposteriores. 4. Definir las clases y la jerarquía de clases. En este proceso se distinguen tres enfoques fundamentales (3): top-down o “de arriba hacia abajo.”, en el que se defineel concepto más general y, a partir de éste, todos los demás por especialización delmismo; bottom-up o “de abajo hacia arriba.”, al contrario que en el anterior, secomienza por definir los conceptos más específicos para posteriormente agruparlosen clases de conceptos más generales; combinación, en el que se combinan los dosenfoques anteriores, de tal forma que se comienza definiendo los conceptos másdestacados del dominio para especializarlos y generalizarlos convenientemente. Ninguno de los enfoques anteriores se puede calificar como mejor que otro, algo que dependerá también de cada diseñador concreto. En cualquier caso, elproceso comienza con la definición de una serie de clases. Para ello,seleccionaremos preferentemente aquellos términos de la lista creada en el pasoanterior que se refieran a objetos que tengan una existencia independiente, antesque términos que se utilicen para describir otros objetos. Las clases se organizaránen una taxonomía jerárquica, de tal forma que, si una clase A es subclase de otraclase B, entonces cada instancia de A es también una instancia de B. 5. Definir las propiedades (también llamadas relaciones o slots) de las clases. Por sí solas, las clases no contienen información suficiente para responder a las cuestiones que seplantearon en el paso 1. Por esta razón, es necesario describir la estructura de losconceptos por medio de propiedades. Una vez seleccionadas las clases en el pasoanterior, la gran mayoría de los términos restantes de la lista elaborada en el paso 3,corresponderán a propiedades de dichas clases. Todas las subclases de una claseheredan los slots de esta última. Por esta razón, conviene asociar cada propiedad a la clase más general que pueda tener dicha propiedad. 6. Definir facetas y/o restricciones sobre los slots o relaciones. Los slots pueden presentar diferentes facetas que permiten definir el tipo al que deben pertenecen los valores de una propiedad, los valores permitidos o el número de dichos valores (conocido también como cardinalidad del slot). Por ejemplo, es normal definir una faceta que limite los valores de la propiedad nombre de una clase a valores de tipo cadena. 7. Definir instancias. La primera iteración del proceso de desarrollo concluye con la definición de instancias de las clases de la jerarquía. La definición de una instancia individual de una clase requiere, en primer lugar, seleccionar una clase, a 3-3.

(17) continuación crear una instancia individual de esa clase, y por último, asignar valores a sus slots.. 3.3.4 Creación de un sistema experto basado en reglas Los sistemas expertos basados en reglas son uno de los modelos de representación del conocimiento más utilizados debido a que resultan muy fáciles de implementar cuando el conocimiento que se desea representar surge de forma natural con una estructura de reglas. Para el caso del sistema propuesto en esta tesis, se utiliza el paradigma de sistemas de producción, ya que proporciona una semántica procedural basada en el encadenamiento hacia delante o hacia atrás de reglas. Cabe anotar que este tipo de sistemas expertos se usacuando el dominio del problema es pequeño yla teoría se comprende bien, y como es de esperar, el conocimiento debe poder representarse en reglas y hechos, lo cual ocurre con este proyecto. Para crear el sistema experto se ha optado por elegir como dominio, la durabilidad en estructuras de concreto reforzado, dicho dominio, posee suficiente información como para comprender bien la teoría, y de acuerdo con los expertos, es posible representar el conocimiento existente de este a través de reglas que se deben derivar de árboles de falla utilizados en el análisis de patologías del concreto. El sistema experto basado en reglas propuesto secompone de una base de conocimiento en la que se encontrarán la base de hechos y la base de reglas adicionalmente se usa un motor de inferencia que permite deducir a partir de las reglas las degradaciones potenciales. Para obtener los hechos, se propone el uso de la aplicación AutoCAD, ya que a partir de los planos de una estructura es posible obtener los datos del contexto y de la geometría de los elementos estructurales, es decir, los hechos del caso a analizar. Para la tesis presentada en este documento es necesario tener dos etapas de desarrollo para el sistema experto basado en reglas propuesto. La etapa de adquisición de conocimiento La etapa de construcción del sistema experto basado en reglas Para la etapa de la adquisición de conocimiento, se usa la metodología Grover (4) en donde se propone tres fases para la adquirir conocimiento: Definición del dominio: En donde se interpreta el problema y se obtiene un manual de definición de dominio en el que se incluyen: • Descripción general del problema • Bibliografía de los documentos referenciados. • Identificación de expertos. • Definición de métricas de performance apropiadas para evaluar el rendimiento del Sistema Experto. • Descripción de escenarios para ejemplos posibles. Formulación del conocimiento fundamental: Esta etapa consiste en seleccionar los escenarios a evaluar por parte de un experto con el fin de clasificarlos según el más importante, el más esperado, el más típico, el mejor entendido. Para el caso de esta 3-4.

(18) tesis,se realizan varios ejemplos en los que se plantean sus respectivas soluciones a partir de los árboles de falla los cuales son producto de deducciones de expertos a partir de factores y procesos de degradación existentes en el contexto de la estructura. La base de conocimiento fundamental incluye: La definición de fuentes de entrada Descripción del estado inicial que incluye el conocimiento base. Conjunto básico de reglas de análisis y hechos iniciales Lista de estrategias humanas Cota de rendimiento mínimo Definición de reglas aplicables Técnicas de corrección Delimitación de las capacidades del sistema experto que pueden ser expandidas. Consolidación del conocimiento basal: El conocimiento basal es el conjunto de definiciones necesarias para producir el menor nivel de actividad esencial para el mantenimiento de las funciones vitales del sistema.. 3.3.4.1 Determinación de los árboles de falla para el caso de estudio Los arboles de falla son utilizados dentro de los procedimientos de análisis modales de fallos y efectos, y con ellos se busca determinar los fallos potenciales de un sistema a través de los fallos potenciales así como de sus relaciones. En los últimos años y gracias a reporte 14 de RILEM denominado “Durability Design of Concrete Structures” (1), se ha propiciado su utilización en la determinación de degradaciones potenciales en estructuras a partir de factores y procesos de degradación detectados en el contexto de las mismas. Esto es posible hacerlo porque los árboles de fallas incluyen el concepto de consecuencia de una falla dentro de las relaciones entre sus nodos, los cuales pueden ser factores de degradación, procesos de degradación o degradaciones propiamente dichas. En el caso de estudio de esta tesis, se ha aprovechado la literatura especializada, particularmente la documentación dada por las organizaciones RILEM (5) (1) y la red DURAR (6) para determinar los factores y los procesos de degradación que en cualquier caso pueden llegar a afectar estructuras de concreto reforzado. Adicionalmente, se debe determinar las relaciones existentes entre dichos factores y procesos, que consecuencias tienen esas relaciones y que degradaciones producen. Para la creación del árbol de falla en esta tesis, se utiliza el método inductivo propuesto en el manual de árboles de falla con aplicaciones aeroespaciales de la NASA (7). Este método busca hacer un razonamiento sobre casos particulares para llegar a una conclusión general. Se utiliza este método porque se cuenta con la información de los expertos acerca de todos los factores y procesos de degradación así como de las degradaciones posibles en estructuras de concreto reforzado permitiendo resolver preguntas de la forma “¿qué pasa si…?” típicas en modelos inductivos.. 3.3.5 Creación de software necesario para el uso de modelos de degradación matemáticos 3-5.

(19) Los modelos matemáticos de durabilidad son utilizados para determinar el tiempo en que tarda un factor de degradación en hacer daño en un elemento estructural construido con un material específico, causados por una secuencia de procesos de degradación, que han sido ya identificados por los expertos. Estos modelos se pueden representar como clases que contienen métodos que permiten determinar ese tiempo.. 3-6.

(20) 4 Fundamentos teóricos y tecnologías Para abordar el problema propuesto en esta tesis, es necesario abarcar dos dominios o áreas de conocimiento, el diseño estructural por durabilidad, que hace parte de la ingeniería civil, y los sistemas basados en conocimiento, que hacen parte de la ingeniería de sistemas. A continuación se presenta la parte teórica relevante de cada uno de estos dominios de conocimiento.. 4.1 Fundamentos teóricos en diseño estructural por durabilidad 4.1.1 Estructuras en ingeniería civil y arquitectura Para la tesis presentada en este documento, se requiere comprender algunos conceptos básicos utilizados en ingeniería civil.. 4.1.1.1 Definición de estructura Una estructura es toda construcción destinada a soportar su propio peso y la presencia de acciones exteriores como fuerzas, momentos, temperatura, etc. Sin perder las condiciones de funcionalidad para las que fue concebida. Una estructura está compuesta por elementos a los que se les conoce como elementos estructurales y pueden clasificarse de acuerdo a las solicitudes que deben cubriren: Elementos Unidimensionales: Son aquellos que en el análisis estructural solo cuentan con una dimensión, normalmente soportan cargas a flexión y a compresión. Pueden ser de dos tipos: Rectos, como las vigas, las cuales trabajan a flexión y las columnas, que trabajan a compresión y los curvos, como las vigas balcón, los arcos Elementos Bidimensionales: Son aquellos que en el análisis estructural cuentan con dos dimensiones, normalmente soportan cargas a flexión aunque algunos pueden soportar fuerzasa compresión como los muros de carga. Pueden ser de dos tipos: Planos como las placas o los muros de contención o curvos como las cúpulas.. 4.1.1.2 Análisis estructural El análisis estructural consiste en el análisis matemático que se hace a la estructura, cuya geometría y distribución fue previamente establecida, con el fin de determinar las cargas y esfuerzos que la afectan y establecer el material a utilizar en su construcción, así como las dimensiones de sus elementos estructurales (vigas, columnas, placas, etc.).. 4.1.1.3 Diseño estructural Una estructura se puede concebir como un conjunto de partes o componentes que se combinan de forma ordenada para cumplir una función dada (8). Dentro de las funciones 4-1.

(21) estructurales podemos encontrar: encerrar un espacio, salvar un río, contener un empuje, etc.El diseño estructural involucra el material con el que se va a construir la estructura.. 4.1.1.4 Materiales utilizados en la construcción de estructuras En ingeniería civil, uno de los aspectos más importantes para llevar a cabo el diseño estructural es el material estructural a utilizar. Los materiales estructurales deben cumplir una serie de características como: forma, durabilidad, resistencia, costo, disponibilidad y capacidad portante.En Latinoamérica y particularmente en Colombia, los principales materiales estructurales son el concreto reforzado, el acero y la madera entre otros. A continuación se presentan las características técnicas de cada uno de ellos. 4.1.1.4.1 El concreto reforzado(armado) Es el material que combina las características estructurales del concreto y del acero.Se lo puede construir en una gran variedad de formas. La resistencia del concreto depende de la calidad y dosificación de los elementos que intervienen en la mezcla. Para grandes obras, en laboratorios especializados, se realiza el cálculo de la dosificación de cada componente, necesaria para alcanzar la resistencia requerida. Su fabricación es un proceso delicado, muchas veces no se mezcla en obra, sino que se fabrica en plantas especiales y luego se lo transporta al lugar requerido. Durante el fraguado del concreto se produce calor, es necesario disipar el mismo mediante el curado, que se hace generalmente tapándolo con paños mojados. Ventajas: La moldeabilidad del estado plástico en que se fabrica en concreto, permite una libertad en la selección de formas; asimismo el vaciado en que se coloca permite la continuidad de los elementos en una estructura. Además, la durabilidad, permeabilidad, resistencia al fuego y a la intemperie son atributos de este material (9). Uso: El dimensionamiento de las secciones busca las propiedades geométricas así como la cantidad y posición del acero de refuerzo. Desde el punto de vista de la estructura, los principales elementos estructurales donde se emplea el concreto armado son las losas y vigas monolíticas, losas planas sin vigas, cascarones de cubierta simple o doble curvatura, domos y en el diseño de puentes. Todas estas formas indican la adaptabilidad del material, porque la forma se ajusta a la manera más económica de (10). Propiedades: La principal propiedad especificada en el diseño de los elementos de concreto armado, es la resistencia del elemento a la compresión correspondiente a los 28 días de curado y se denomina c f . Es una propiedad que es variable según la proporción de los elementos que conforman el concreto (agua, arena, grava y cemento). A partir de este valor de diseño se obtienen las diversas propiedades del concreto. Valor (kgf/cm2). Propiedad Resistencia de compresión a los 28 días Resistencia a la tracción. 4-2.

(22) Módulo de elasticidad Tabla 1 Propiedades del concreto. (kgf/cm2). Material. (MPa). Acero ASTM A615 grado 40. 2800. 275. Acero ASTM A615 grado 60. 4200. 415. Tabla 2 Valores de cedencia de las barras de refuerzo. Método de construcción:Existen dos formas de construir con concreto armado, una es el vaciado in situ que requiere de la fabricación de formaletas de madera (encofrado) y obliga a una secuencia de operaciones. Por otra parte la construcción se puede hacer con elementos prefabricados, este método ahorra el uso del encofrado y permite realizar simultáneamente varias etapas de construcción (9). Debido a que se cuenta con la documentación y con la ayuda de expertos acerca de la durabilidad, las patologías posibles en este material y los modelos matemáticos necesarios para prever su comportamiento, y que adicionalmente, en Colombia el concreto reforzado es uno de los materiales más utilizados en la construcción, se ha decidido utilizar este como caso de estudio en la presente tesis. 4.1.1.4.2 El acero El acero es una aleación constituida por hierro y carbono, reduciendo durante el proceso los contenidos de carbono, silicio y azufre que en principio son perjudiciales al acero. Las propiedades del acero dependen de la cantidad de carbono empleada en el proceso de fabricación. Esta combinación ha producido un material muy versátil empleado en múltiples funciones de las edificaciones (11) (12). Ventajas: El acero es un material de gran resistencia con poco peso, facilidad de fabricación. Esta gran resistencia se traduce en poco peso, ya que se requieren elementos de poco tamaño para satisfacer los requisitos de resistencia. Asimismo, es un material que mantiene sus características sin degradarse a lo largo del tiempo. La elasticidad es una de las principales propiedades de los materiales, que en el caso del acero, su comportamiento se asemeja más que otros a comportamiento elástico teórico. Así como la elasticidad, la ductilidad es otra propiedad que en el acero se manifiesta en gran medida, ya que soporta sobrecarga mediante la deformación en el rango plástico evidenciando una falla inminente. La tenacidad es otra ventaja que relaciona la resistencia y ductilidad, ya que el acero posee su resistencia aún en grandes deformaciones permitiendo así doblar el material sin fracturarse. Debido a la naturaleza del acero de construirse mediante la unión de elementos, permite así ampliaciones a estructuras existentes. Las uniones se realizan mediante soldadura, pernos y remaches. Cabe destacar, que por esta forma de construir, el tiempo de construcción es más rápido que con otro tipo de material. 4-3.

(23) Uso: El acero es empleado en todo tipo de construcción, desde clavos para obras de madera hasta barras de refuerzo para estructuras de concreto armado. Particularmente el acero estructural corresponde al empleo de perfiles laminados. El diseño de estructuras de acero implica la selección de perfiles estándar laminados en caliente, esta es la forma más empleada del acero estructural. Adicionalmente, cuando la disponibilidad del tamaño necesario para el diseño no es posible, se fabrican perfiles a partir de láminas de acero, soldadas o apernadas (11) (13) (14) Propiedades: Del diagrama de esfuerzo deformación practicado en el acero , se obtienen diversos valores correspondientesal esfuerzo de cedencia que varían según el tipo de aceroy se indican en la tabla 3 Por otra parte, el módulo deelasticidad (E) es el mismo para todos los tipos de acero y es igual a 2,1x106 kgf/cm2 o 2x105 MPa en unidades delSistema Internacional (de Mattos, 2006; Galambos, Lin y Johnston, 1999; McCormac, 1996)[¿?]. (kgf/cm2). Tipo de acero. (MPa). ASTM A36. 2500. 248. ASTM A500 grado C. 3230 - 3515. 317 - 345. Tabla 3 Valores de cedencia de diversos aceros. Método de construcción:La construcción de estructuras de acero implica por una parte la unión de las piezas y por otra el alzado de ellas para ser colocadas en el lugar especificado. La conexión de las piezas es de especial cuidado ya que deben garantizar el comportamiento como un sistema estructural; estas conexiones pueden ser hechas mediante soldaduras, pernos o remaches. En cuanto a la colocación los elementos de acero, se debe tener cuidado, ya que el alzado puede implicar inversión de las fuerzas de diseño2. Además debe tomarse en cuenta colocar arrostramientos para dar estabilidad a la estructura durante la construcción (13). 4.1.1.4.3 La madera La madera es un material tan antiguo como moderno, se puede obtener directamente de los árboles o del producto fabricado con el fin de ser empleado como estructura de edificio Uso:La madera para estructuras está disponible en las siguientes formas: Madera aserrada en tamaños-corrientes: Secciones con espesor de 2 a 4 pulg y ancho de 2 pulg o más (utilizadas principalmente para fabricar cabrios, viguetas, pies derechos o tablones). Vigas y tirante: Secciones rectangulares de 5 pulg o más de espesor y ancho de 2 pulg o más de espesor, clasificadas para flexión si la cargas se aplica en la cara angosta. Postes y madera: Secciones transversales cuadradas o casi cuadradas, de 5 x 5 pulg o más grandes y ancho no más de 2 pulg mayor que el espesor, clasificadas para compresión donde hay poca flexión. Terraza: Madera de 2 a 4 pulg de espesor, machihembrada o ranurada para lengüeta en la cara angosta, clasificada para usos planos (principalmente como terraza de tablones). 4-4.