Ingeniería

Conexiones en estructuras mixtas

En este año de grandes celebraciones; es necesario reflexionar sobre lo que México ha logrado en 200 años, así como lo que aún tiene por resolver.

Hace unos meses, el Instituto de Ingeniería de la Universidad Nacional Autónoma de México (IINGEN/UNAM) y la Facultad de Ingeniería Civil de la Universidad Autónoma de Nuevo León, recibieron a Rafael Larrúa Quevedo, ingeniero civil, graduado en la Facultad de Construcciones de la Universidad de Camaguey, Cuba y quien obtuvo el grado de Doctor en Ciencias Técnicas en el Instituto Superior Politécnico José Antonio Echeverría, Ciudad de la Habana en 1992. El motivo de su visita fue dictar una serie de conferencias donde compartió sus más de 29 años de experiencia tanto a nivel académico, como en el campo de la investigación de elementos estructurales, siendo además redactor principal de tres Normas Ramales Nacionales del Ministerio de la Construcción de la República de Cuba (2007), relacionadas con el cálculo de estructuras compuestas.
A la pregunta de ¿qué ventajas representan las conexiones estructurales y qué repercusión tienen en las edificaciones actualmente?, el especialista comentó que “las estructuras compuestas (acero y concreto) han sido utilizadas ampliamente en la construcción de puentes y edificios desde el siglo pasado hasta la fecha. Se caracterizan por la existencia de elementos estructurales que posean secciones transversales en las cuales dos o más materiales trabajan de manera solidaria, con lo que se aprovecha mejor las cualidades propias de cada material, no sólo en lo que respecta a la capacidad resistente, sino también desde el punto de vista constructivo, funcional y estético, buscando minimizar los inconvenientes intrínsecos que cada material pudiera tener. Así, entendiendo que un componente esencial de una viga compuesta es la conexión entre la sección de acero y la losa de concreto reforzado. Esta conexión se asegura mediante conectores que se instalan en el ala superior (patín) de la viga de acero, usualmente mediante soldadura. Los conectores aseguran que los diferentes materiales que constituyen la sección compuesta actúen de manera conjunta”.El ingeniero señaló que una amplia variedad de tipos han sido utilizados como conectores, en tanto diversas consideraciones de comportamiento y economía continúan motivando el desarrollo de nuevos productos. Actualmente, el conector tipo perno con cabeza (stud) es el más ampliamente difundido debido a su probado desempeño y a la facilidad en su colocación con tecnología específicamente diseñada a tal efecto.
En términos de investigación y desarrollo tecnológico, Larrúa comentó que un “número notable de estudios experimentales han sido desarrollados para profundizar en el estudio del comportamiento de las conexiones. Específicamente, los ensayes de conectores del tipo push-out han sido una importante vía para la evaluación de la influencia de diferentes parámetros en el comportamiento de las mismas, así como para la obtención de formulaciones que permitan predecir su capacidad resistente última, lo que ha marcado significativamente la evolución de los métodos de cálculo. No obstante, está comprobado que las expresiones de cálculo de la capacidad resistente última de los conectores, en algunos casos la subestiman excesivamente y en otros casos la sobreestiman, existiendo la necesidad del perfeccionamiento de tales expresiones para esta conexión, la más difundida internacionalmente. Esta situación es extensiva a los restantes tipos de conectores, con el agravante de haberse realizado mucho menos investigación experimental sobre los mismos”.
Sobre los retos de seguridad que experimentan este tipo de criterios estructurales, el entrevistado dijo que “debe trabajarse en el perfeccionamiento de las formulaciones para el cálculo de la capacidad resistente nominal de las conexiones y realizar la determinación por métodos probabilísticos del coeficiente parcial de seguridad con bases experimentales de resultados tanto de ensayos de conectores como de ensayos de vigas compuestas. Para ambas cosas debe acudirse a un enfoque de trabajo que integre la experimentación, la modelación numérica y la estadística, sin descartar el empleo de otras herramientas computacionales basadas en inteligencia artificial”. Para Larrúa, el investigador debe hacer un uso equilibrado de tales herramientas y tomar en cuenta que sin una validación experimental es difícil la comprobación de cualquier nueva teoría. Por otra parte, la simulación (o realidad virtual) plantea conjeturas que conducen a nuevos ensayos y, con ello, en muchas ocasiones, a nuevas tecnologías y métodos experimentales”.

 

 

 

 

 

 

 

¿Qué importancia adquiere el concreto en términos específicos?, se le preguntó. “En las conexiones de las estructuras compuestas acero-concreto, este último material y desde luego el cemento como su componente principal, es de gran importancia, pues la conexión no es sólo el elemento de acero denominado conector sino el conjunto formado por éste y el concreto que se encuentra en su vecindad. En varios de los modos de fallos de las conexiones está presente el fallo del concreto en cercanía con el conector. De manera que resulta vital la evaluación de diferentes características del concreto como variables de estudio cuando se enfrenta la problemática de caracterizar las conexiones”.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Numerosas investigaciones se han realizado para evaluar la influencia de diferentes tipos de concretos en la respuesta de las conexiones de tipos muy variados. Según sea la tipología de conector utilizado puede variar el rol del concreto como material componente de la conexión.
En la actualidad, la informática es esencial en las investigaciones en las diferentes ramas del saber. Larrúa señala que: “la ingeniería estructural no escapa a esa tendencia contemporánea. En el perfeccionamiento de las formulaciones de diseño de las conexiones en construcción compuesta es muy marcado el rol que puede desempeñar en el desarrollo de modelos numéricos basados en el método de elementos finitos que permitan la simulación del ensayo de conectores con una alta correspondencia con los resultados de la experimentación. De igual forma está presente cuando se emplean software profesional para el diseño estadístico de experimentos y la evaluación de sus resultados”.
Por su parte, la revolución digital ha facilitado la captura de la información y su almacenamiento a bajo costo. El verdadero valor de esa cuantiosa información radica en la posibilidad de explorar y comprender mejor los fenómenos que le dieron lugar, lo que es conducente al uso de el aprendizaje automatizado, que es el área de la inteligencia artificial que se ocupa de desarrollar técnicas capaces de aprender; es decir, extraer de forma automática conocimiento subyacente en la información”.
El investigador comentó que en un reciente trabajo, un equipo multidisciplinario de investigadores de la Universidad de Camagüey, integrado por ingenieros civiles e informáticos ha abordado mediante el uso de algoritmos de inteligencia artificial, la predicción de la capacidad resistente última de los conectores en la tipología pernos con cabeza en secciones compuestas con lámina plegada con nervaduras perpendiculares al eje de las vigas, a partir de una base de datos de resultados experimentales con información compilada de ensayos de conectores.
La solución al problema se logró mediante la implementación del método de los k-Vecinos más cercanos, o k-Nearest Neighbors (k-NN), un algoritmo de clasificación que utiliza funciones de distancia o similitud para generar predicciones a partir de ejemplos almacenados, conjuntamente con la meta heurística Particle Swarm Optimization (PSO), basada en el comportamiento de una población como los enjambres de abejas, cardúmenes de peces o parvadas.
Los resultados alcanzados son promisorios cuando se comparan con los obtenidos por medio de las formulaciones de las principales normativas internacionales vigentes, demostrándose que el estimador de funciones k-NN combinado con PSO, es una vía eficaz que favorece la creación de nuevos datos para la generación de un conjunto representativo de las disímiles situaciones de diseño que pueden presentarse. Lo anterior se alcanza de una manera rápida y simple, disminuyendo el costo de la experimentación clásica y el costo computacional de las simulaciones numéricas que no siempre convergen con facilidad.

 

 

 

 

 

 

 

 

Lo que está haciéndose en México
Sobre el tema de las conexiones mixtas y su desarrollo en nuestro país, el ing. Larrúa afirmó: “Siento un gran respeto por la ingeniería civil mexicana. Soy admirador de las grandes realizaciones que pueden ser apreciadas en toda la República Mexicana. El empleo de los conceptos de la construcción compuesta es algo generalizado en todo el mundo, dadas las ventajas que proporciona, no sólo en la combinación de materiales acero-concreto sino también en otras combinaciones tales como madera-concreto, concreto prefabricado- concreto colocado (in situ) y madera-acero, entre otras. Aunado a esto, considero que en México se viene haciendo uso de la construcción compuesta aceroconcreto, tanto en edificaciones como en puentes de una manera bastante amplia y racional. Desde luego, la existencia de una mayor cultura técnica sobre el tema favorecería aun más la difusión y empleo de las mismas en esa combinación de materiales y en las antes mencionadas. Por otro lado, en materia de investigación no estaría de más promover el desarrollo de programas experimentales que permitieran profundizar en el comportamiento de las estructuras compuestas y en particular de las conexiones bajo las exigencias sísmicas presentes en el país. Las bases para enfrentarlo están creadas, pues el país atesora una rica tradición de experimentación en la ingeniería estructural”. Cabe decir que actualmente el especialista es jefe del grupo de investigaciones en estructuras de la Facultad de Construcciones de la Universidad de Camagüey, posición que ostenta desde 1983 y desde la cual ha publicado 28 memorias en extenso y 37 artículos en revistas especializadas sobre el tema. Con reconocimientos múltiples por su labor, destaca el Premio Nacional de la Academia de Ciencias de Cuba, otorgado en 2007.

 

Gregorio B. Mendoza
Fotos: Cortesía de la Facultad de Ingeniería de la UNAM.

 

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