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CONTENIDO
Un algoritmo en seudocódigo para el chequeo
de la subsumición en ALC
REVISTA DE LA UNIVERSIDAD
FRANCISCO DE PAULA
SANTANDER
San José de Cúcuta
Noviembre 2003
No. 8 ISSN 0122820X
Publicación Científica
que presenta la producción de
trabajos de investigación de la
Universidad Francisco de Paula
Santander y la Comunidad
Científica en general.
Está abierta a ensayos, artículos
de divulgación científica y a
informes de investigación de
todas las ramas del saber, cuya
calidad se determinará por el grado
de innovación y por el cambio del
estado del conocimiento que
presenten los artículos publicados.
Coordinación y Dirección General
Jorge Sánchez Molina
Comité Editorial
Carmen Leonor Barajas Forero
Gabriel Peña Rodríguez
Hector Jaime Dulcé Moreno
Luis Ignacio Lizcano Bueno
Miguel Armando Briceño Guerrero
Pablo Pastor Mogollón Sánchez
Víctor Manuel Ardila Soto
Jorge Fernando Márquez Peñaranda
Pag. 3
Estudio de la formación de hidróxidos de europio
por medio de espectroscopía de fluorescencia.
Pag. 11
Implantación iónica
Pag. 19
Diseño y montaje de una página wap que
Implemente el acceso a la información académica
de la Universidad Francisco de Paula Santander
pag. 31
Análisis de la vulnerabilidad sísmica de los edificios
fundadores y aulas sur de la U.F.P.S.
Pag. 38
Editor
Paula Andrea Plata Ochoa
Diseño - Diagramación
Impresión
Offset La Opinión
5710632 Cúcuta, Colombia
1
EDITORIAL
Hace diez años, el 16 de septiembre de 1993, se instaló en Santafé de Bogotá la «Misión Ciencia, Educación y Desarrollo»
más conocida como la Misión de los Sabios, conformada por un grupo de diez intelectuales colombianos prominentes.
Como lo expresara el doctor Rodolfo Llinás, en el acto protocolario de esa ocasión, el futuro de Colombia depende de la
capacidad que el país tenga de organizar la educación, su producto: la ciencia; y el derivado de ésta: la tecnología.
También planteaba que «la ciencia hay que hacerla, entenderla y consumirla. Si ella no se consume, mediante el desarrollo
tecnológico, o la educación, se crean científicos frustrados o intelectos excéntricos sin uso social».
El 21 de julio de 1994 se entregó el Informe Conjunto de la Misión que contenía diversos análisis y recomendaciones para
propiciar un cambio altamente productivo a mediano plazo en términos de desarrollo de educación, ciencia y tecnología.
Como síntesis proponía una agenda constituida por tres partes: a) Recomendaciones acerca de las organizaciones, b)
Recomendaciones acerca de la educación y c) Recomendaciones acerca de ciencia y tecnología. En cuanto a las
organizaciones planteaba la necesidad de buena gestión, difusión y promoción, servicios de calidad, proyectos
interinstitucionales entre el sector productivo y la academia, y la creación de un Consejo Nacional de Productividad,
Gestión y Competitividad con participación del sector público y privado. En el ámbito de la educación sugería la necesidad
de un compromiso absoluto por parte de la Presidencia de la República, la consulta amplia y permanente de la ciudadanía,
la integración de esfuerzos de los sectores privado y público enfocados a la educación, estimular la experimentación e
innovación en organización y gobierno de los planteles, cualificar el sistema escolar, dar prioridad en el destino de
recursos municipales a cubrimiento total en preescolar y primaria, propiciar la educación posbásica flexible, y el crecimiento
de la inversión estatal en la formación de profesionales (nivel superior) y su fortalecimiento en niveles de maestría y
doctorado. Para el área de la ciencia y la tecnología proponía la creación de un Programa para la Endogenización de la
Ciencia y la Tecnología estableciendo guías tales como líneas de acción, estímulos a los investigadores, la preservación y uso
del medio ambiente y la biodiversidad, y la creación de Centros de Popularización de la Ciencia y la Tecnología, entre otros.
La Comisión esperaba que al cabo de cinco años se hubiese por lo menos iniciado el fortalecimiento de este espíritu de
cambio y manifestaban su preocupación por que sus propuestas se quedasen almacenadas en alguna biblioteca. Después
de diez años ese temor parece volverse un hecho; no existen recursos apropiados legales ni económicos que garanticen un
movimiento en la cultura pro-desarrollo integral del país. Más bien todos los esfuerzos parecen encaminados a resolver
necesidades urgentes o síntomas, más no logran llegar a corregir las causas de los problemas. La realidad social de
Colombia es producto de la ignorancia de sus gentes y de su incapacidad de adaptarse a un mundo globalizado que exige
competitividad y competencia.
La investigación no es sólo una tarea u obligación de las instituciones: es una necesidad nacional y es imperioso que se
entienda que sin ella no es posible el desarrollo sostenible. La Universidad es un ente académico cuyo discurso docente no
puede limitarse a la exposición del producto del trabajo de «muchos otros» sino que debe desarrollar además su propio
conocimiento, ya sea con investigación de punta o de tipo aplicado. Sin reducir la importancia de la primera, ésta última
puede ser en la región la más urgente y apropiada. Con ella podrán estudiarse soluciones que ayuden a mejorar las
condiciones de vida de la población menos favorecida, siempre que exista un compromiso de parte del estado y de la
empresa privada en la asignación de recursos económicos y de logística, y de la universidad para aportar su saber de
forma eficiente y oportuna.
La Comisión de los Sabios hizo énfasis en que la educación es la progenitora de la ciencia y la tecnología; es algo que no
se puede perder de vista, pues para «hacer algo bien» hay que «saber hacerlo bien». Aristóteles afirmaba que es posible
llegar de la ciencia a la experiencia, pero que el camino inverso es bastante, difícil, por lo que primero hay que tener algún
conocimiento de base (educación), inquirir mejoras de ese conocimiento (investigación - ciencia) y extraer conclusiones
que puedan usarse (tecnología).
Que sea entonces la docencia basada en la investigación propia de las instituciones de educación en todos los niveles, la
palanca que permita a Colombia salir de su anquilosamiento.
2
UN ALGORITMO EN SEUDOCODIGO PARA EL CHEQUEO
DE LA SUBSUMICION EN ALC
Eduard Gilberto Puerto C.
Estudiante X Semestre Ing. Sistemas
[email protected]
Universidad Francisco de Paula Santander
RESUMEN
En el presente artículo se describe un evaluador de
satisfactibilidad para el chequeo de la subsumición en
un lenguaje de atributos de conceptos (Attribute
Language Concept, ALC). Los lenguajes de conceptos
basados en las lógicas descriptivas (Description Logics,
DLs) ofrecen servicios de razonamiento que permiten
hacer clasificación y recuperación de la información
dentro de la base de conocimiento. Los procesos de
razonamiento de subsumición y de satisfactibilidad son
equivalentes y se especifican por medio del Cálculo
de Predicados de Primer Orden (First Order Predicate
Calculus, FOPC) y el cálculo Tableaux. FOPC permite
asociar cada expresión C de conceptos a una fórmula
fc(x) de la lógica de predicados, de tal forma que un
modelo de una fórmula fc(x) es un modelo del
concepto C y viceversa. El cálculo Tableaux de primer
orden siempre termina para las fórmulas asociadas a
conceptos en el FOPC. El cálculo de terminación
planteado permite una interpretación si la fórmula es
satisfactible o se produce una contradicción si la
fórmula es insatisfactible. Se plantea un algoritmo en
seudocódigo para el chequeo de la subsumición.
1. INTRODUCCION
Un área de estudio de la Inteligencia Artificial de gran
actualidad por su aplicación es la sistematización del
conocimiento. Para realizar esta tarea se requieren
métodos que permitan representar el conocimiento
junto con procedimientos efectivos y eficientes para
recuperar e inferir conocimiento. Esta tarea se realiza
por medio de los sistemas de representación de
conocimiento (Knowledge Representation Systems,
KRSs) mediante el uso de los lenguajes terminológicos
o lenguajes de conceptos basados en DLs. Uno de los
mecanismos básicos de la representación y
procesamiento del conocimiento humano es la división
del mundo en clases o conceptos los cuales usualmente
están dotados de una jerarquía estructural.
Los lenguajes de conceptos son un medio para expresar
conocimiento taxonómico, se conciben como
sublenguajes de la lógica de predicados de primer
orden con la semántica declarativa de Tarski, y
permiten representar conocimiento de un domino
concreto por medio de conceptos y roles, donde los
conceptos son descripciones de clases de individuos y
los roles modelan relaciones entre las clases (Buchheit,
et al, 1993). Partiendo de conceptos atómicos y roles
atómicos (que sólo son descritos por su nombre) al
combinarlos se pueden construir expresiones de
conceptos utilizando constructores que corresponden
a operadores lógicos y a cuantificadores. Los diferentes
lenguajes de conceptos son distinguibles por los
constructores que ellos proveen. Los sistemas de
representación de conocimiento ofrecen servicios de
razonamiento que permiten inferir, ordenar, gestionar,
modificar o recuperar información dentro de las bases
de conocimiento y obtener respuesta a cuestiones como:
• Dado un concepto, ¿es éste satisfactible?
• Determinar la relación de subsumición entre
conceptos.
• Dentro de la jerarquía de conceptos, ¿dónde se
ubica un concepto determinado?
• ¿Qué hechos se deducen del conocimiento dado?
• ¿Es consistente el conocimiento?
• ¿Qué individuos son instancias de un concepto dado?
• ¿De qué conceptos un individuo es instancia?
El presente artículo está organizado así: En la sección
2 se presenta la sintaxis y la semántica de ALC y una
relación de equivalencia entre la subsumición y la
satisfactibilidad. En la sección 3 se plantea un cálculo
para el chequeo de la satisfactibilidad. En la sección
4 se da una descripción de los objetos que se requieren
para modelar la especificación referente al problema
de satisfactibilidad. En la sección 5 se plantea un
algoritmo que da solución al problema de la
satisfactibilidad de una expresión de conceptos.
3
2 ALC
Una característica fundamental de las DLs es que ellas
soportan la composición de descripciones
estructuradas de conceptos con las cuales se puede
razonar (Woods y Schmolze, 1992). La inferencia es
posible con base en la especificación formal de la
sintaxis y la semántica del lenguaje de descripción de
conceptos. A continuación se describe la sintaxis y la
semántica de ALC (Schmidt y Smolka, 1991).
La terminología ALC está basada en tres alfabetos de
símbolos llamados nombres de conceptos, nombres
de roles y nombres de individuos. Una terminología o
base de conocimiento terminológico consta de un
número finito de axiomas los cuales permiten introducir
conceptos por medio de definiciones o de inclusiones.
La terminología ALC está determinada por las
siguientes reglas de formación:
La interpretación de una expresión de un concepto es
derivada de las interpretaciones de sus componentes.
En cada interpretación I, diferentes individuos denotan
diferentes elementos del dominio DI, es decir, para
cada par de individuos a y b, si a es diferente de b
entonces aI ¹ bI . Esta propiedad corresponde al
postulado de nombre único.
Una interpretación I es un modelo para un concepto
C si CI es no vacío. Un concepto es satisfactible si
tiene un modelo, en otro caso se dice que no es
satisfactible. Dados los conceptos C y D, se dice que
C es subsumido por D (lo notamos C m D) si CI Í DI
para cada interpretación I. Finalmente se dice que C es
equivalente a D si CI = DI para cada interpretación I.
La siguiente proposición describe la equivalencia entre
la subsumición y la satisfactibilidad (Nutt,1993).
Proposición 2.1 Sean C y D conceptos entonces:
• Axiomas de la forma CN = C | CN m C, y
• Las expresiones de conceptos de la forma:
CN | C * D | C + D | Ø C | P.C | $ P.C donde
CN es un nombre de concepto, C y D son
expresiones de conceptos y P es un nombre de rol.
Los conceptos son interpretados como subconjuntos
de un dominio y los roles son interpretados como
relaciones binarias sobre un dominio (Lizcano y Ojeda,
2002). Una interpretaciónI = (DI, I ) consta de un
conjunto no vacío DI llamado el dominio de I y una
funciónI (la función interpretación de I ) que asigna
cada concepto a un subconjunto de DI, cada rol a un
subconjunto de DI x DI, y además se satisfacen las
ecuaciones de la tabla 1.
(C * D)I = CI Ç DI
(C + D)I = CI È DI
(¬C)I = DI - CI
($ P.C)I = {d Î DI | $ e Î DI, con (d , e) Î PI y e Î CI}
( P.C)I = {d Î DI | e Î DI , si (d , e) Î PI entonces
e Î CI}
Tabla 1. Interpretación de conceptos
4
1. C es subsumido por D, si y sólo si, C* ¬D no es
satisfactible.
2. C es satisfactible, si y sólo si, C no es subsumido
por ^.
Luego la satisfactibilidad y la subsumición pueden ser
reducidas en un tiempo lineal la una en la otra. Por
tanto los dos problemas son de igual complejidad y
basta con decidir sobre uno de ellos.
3 UN CALCULO PARA EL CHEQUEO DE LA
SATISFACTIBILIDAD
Con base en lo anterior, la evaluación de la
subsumición entre conceptos puede ser tratada como
el chequeo de satisfactibilidad de conceptos. Esto
último está influenciado por el cálculo de terminación
o el cálculo Tableaux para FOPC (Mac Gregor,1999).
C. El cálculo asume que las expresiones de conceptos
están en forma normal negativa, es decir, que las
negaciones sólo se aplican a nombres de conceptos y
no a términos compuestos.
Figura 1. Arquitectura del cálculo de satisfactibilidad
de una expresión de conceptos
La técnica del cálculo básicamente consiste en aplicar
el cálculo Tableaux con alguna estrategia de control a
las fórmulas obtenidas de los conceptos, y está descrita
como reglas que operan sobre aseveraciones
correspondientes a las fórmulas de la lógica de
predicados asociados a conceptos. El control es
incorporado dentro de las condiciones que permiten
aplicar las reglas.
El cálculo Tableaux es un cálculo basado en las reglas
de expansión de los constructores del lenguaje para
probar la insatisfactibilidad de fórmulas del FOPC
(Lizcano,2002). De una fórmula f, se dice que es
insatisfactible si al descomponer paso a paso f con
las reglas de expansión se tiene una contradicción en
todos los caminos, en otro caso es satisfactible, es
decir, hay un conjunto terminal que es un modelo.
La estructura de datos fundamental para el cálculo
son las aseveraciones. Las reglas se aplican a conjuntos
de aseveraciones que son entendidos como
conjunciones de sus elementos. Para determinar la
satisfactibilidad de un concepto C, se parte de un
conjunto de aseveraciones S, cada derivación termina
después de un número finito de pasos (Smullyan,1968).
Si todos los conjuntos terminales de aseveraciones
contienen una contradicción, entonces C no es
satisfactible. En otro caso se concluye que C es
satisfactible ya que existe al menos un conjunto terminal
libre de contradicción , el cual describe un modelo de
En el FOPC se expresan los conceptos atómicos como
predicados unarios y los roles como predicados
binarios. Esta identificación puede ser extendida
asociando cada expresión C de conceptos a una
fórmula fc(x) de la lógica de predicados, con x variable
libre. Un modelo de una fórmula fc(x) es un modelo
del concepto C y viceversa. En particular, C no es
satisfactible, si y sólo si, fc(x) no es satisfactible.
El cálculo Tableaux de primer orden siempre termina
para las fórmulas asociadas a conceptos en el FOPC
y genera un modelo si la fórmula es satisfactible o
una contradicción si la fórmula es insatisfactible. Con
base a lo anterior se puede diseñar un chequeador de
satisfactibilidad que consta de dos componentes: un
evaluador de refutación de teoremas y un
procedimiento que genera todas las interpretaciones
finitas y evalúa cuales de ellas son un modelo (Lizcano,
2001). Si ambos procesos comienzan con la entrada
fc(x) y se ejecutan en paralelo el probador de teoremas
encontrará que la fórmula es insatisfactible, si ésta lo
es, y el evaluador de interpretación exhibirá un modelo
de la fórmula, si ésta lo tiene. El cálculo Tableaux
combina las características de ambos procesos.
El cálculo para el chequeo de la satisfactibilidad parte
de un sistema de aseveraciones S = {x : C} y se
desarrolla en sucesivos pasos aplicando un conjunto
de reglas de expansión que corresponden a los
constructores del lenguaje. El proceso termina cuando
ninguna de las reglas se puede aplicar o se presente
una contradicción. El cálculo se basa en un conjunto
de reglas que son equivalentes a las reglas del cálculo
Tableaux (Horrocks,1997).
regla-*: Si 1. x : C1 * C2 Î S
2. { x : C1, x : C2 } Ë S
Entonces S ® S È { x : C1 , x : C2 }
5
regla-+: Si 1. x : C1 + C2 Î S
2. { x : C1 , x : C2 } Ç S = F
Entonces a. Guardar S
b. Hacer S ® S È { x : C1 } si se llega
a una contradicción restaurar S, y
c. Hacer S ® S È { x : C2 }
aplicar el algoritmo de Tableaux para evaluar la
satisfactibilidad de una expresión de conceptos.
regla-$: Si 1. x : $ P.C Î S
2. Si no existe variable alguna y tal
que x P y en S y además y : C Ï S.
Entonces crear una variable y, luego
hacer S ® S È { x P y, y : C }
Expresion: Expresión de conceptos generados al aplicar
las reglas de expansión.
regla- : Si 1. x : P.C Î S
2. Si existe alguna variable y tal que
x P y en S y
además y : C Ï S.
Entonces hacer S ® S È { y : C }
Cod_Ind: Determina el código del individuo en que se
instancia la expresión de conceptos.
Figura 2. Reglas de expansión del Tableaux para ALC.
Estado: Identifica expresiones de conceptos a las cuales
se le ha aplicado una regla de expansión.
Atributos:
Cod_Exp: Establece el código de la expresión que es
un valor consecutivo.
Tipo_Const: Constructor lógico que caracteriza la
expresión de conceptos en cuestión.
Cod_Exp_Prec: Es el código de la expresión del cual
ha sido generada la expresión en cuestión.
Una contradicción para una variable x y un concepto
C se tiene, cuando uno de estos dos hechos se da en
el sistema de aseveraciones:
Camino: Define una trayectoria para las expresiones
de conceptos que han sido derivadas.
• { x : C, x : Ø C }.
Operaciones:
4 MODELADO DE OBJETOS PARA EL CALCULO DE
LA SATISFACTIBILIDAD DE UNA EXPRESION DE
CONCEPTOS
Crear( ): Crea un nuevo registro a partir de una
expresión de conceptos.
En un análisis del proceso de chequeo para la
subsumición se ha hecho la abstracción de los
siguientes tres objetos que permiten modelar el
comportamiento del sistema. ALMACEN, que es la
agregación de INDIVIDUO y EXPRESION, y por la
cual se determina una taxonomía en una base de
conocimiento.
A continuación se da una descripción de estos objetos.
ALMACEN. Es la clase que contiene los datos alusivos
a la expresión de conceptos y otros que resultan de
6
Chequear( ): Verifica si la expresión de conceptos del
registro en cuestión es la negación de alguna expresión
de conceptos de los registros anteriores.
Expandir( ): Ejecuta la operación de expansión
determinada por la operación Estrategia( ).
Estrategia( ): Determina la regla a aplicar de las
expresiones de conceptos factibles a expandir.
Expresion = Expresión
Tipo_Const = Tipo
Cod_Ind = Cod_Ind
Cod_Exp_Prec = Cod_Exp_Original
Estado = Estado
Camino = Camino
FIN ELSE
FIN IF
FIN CREAR
DefinirEstado()
Entrada: Tipo
Salida: Entero
Figura 3. Diagrama de clases
4.1 SEUDOCODIGO DE LAS OPERACIONES
CREAR( )
Entradas: Expresion, Cod_Exp_Original, Cod_Ind,
Camino.
Salidas: Ninguna
Tipo = Analizar(Expresion)
Estado = DefinirEstado(Tipo)
IF(Almacen = Nil) THEN
CREAR PRIMER REGISTRO
Cod_Exp = 1
Expresion = Expresión
Tipo_Const = Tipo
Cod_Ind = 1
Cod_Exp_Prec = 0
Estado = Estado
Camino = Camino
ELSE
CREAR REGISTRO
Cod_Exp = MaxCod_Exp+1
IF(Tipo = 0 | Tipo = 1) THEN
RETURN 1
ELSE
RETURN 0
FIN IF
FIN DefinirEstado
Analizar()
Entrada: Expresion
Salida: Entero
Ultimo Caracter de Exp.Infijo
CASE 0: Concepto atómico
CASE 1: Concepto atómico negado
CASE 2: AplicarRegla-*
CASE 3: AplicarRegla-+
CASE 4: AplicarRegla-$
CASE 5: AplicarReglaFIN Analizar
ESTRATEGIA( )
Entrada: ninguna
Salida: Entero // Si es cero no hay regla a aplicar y si
es mayor que cero encontró una regla a aplicar en un
registro en Cod_Exp.
WHILE(EOF != Nil & Estado = 0 & Tipo_Cons =2)
RETURN Cod_Exp FIN WHILE
7
WHILE(EOF != Nil & Estado = 0 & Tipo_Cons =3)
DO
i = i+1 // Actualizar el indice
CEND[i] = Cod_Exp_Actual
RETURN Cod_Exp
FIN WHILE
WHILE(EOF != Nil & Estado = 0 & Tipo_Cons =4)
RETURN Cod_Exp FIN WHILE
WHILE(EOF != Nil & Estado = 0 & Tipo_Cons =5)
RETURN Cod_Exp FIN WHILE
FIN ESTRATEGIA
EXPANDIR()
Entrada: Cod_Exp_Actual
Salida: Expresión o Expresiones
READ Expresion, Tipo_Const, Cod_Ind, Camino.
Estado = 1 // cambiar el valor del campo
Estado de cero a uno
IF(Tipo_Const = 3) THEN
Camino = Camino + .1 // Camino es
alfanumérico.
AplicarRegla(Expresion, Cod_Exp.Actual,
3,Camino)
FIN IF
IF(Tipo_Const = 4 | 5) THEN
AplicarRegla(Expresion, Cod_Exp.Actual,
Tipo_Const, Camino)
ELSE AplicarRegla(Expresion, Cod_Exp.Actual,
2,Camino)
FIN IF
FIN EXPANDIR
AplicarRegla()
Entrada: Expresion, Cod_Exp, Entero, Camino
Salida: Ninguna
READ Cod_Exp & Cod_Ind
CASE 2:
N1 = Primera parte Exp.Infija
N2 = Segunda parte Exp_Infija
8
Crear(N1, Cod_Exp, Cod_Ind, Camino )
Crear(N2, Cod_Exp, Cod_Ind, Camino )
CASE 3:
N1 = Primera parte Exp.Infija
Crear(N1, Cod_Exp, Cod_Ind, Camino )
CASE 4:
C = Concepto de Exp.Infija
READ Reg.Cod_Ind == Mayor.Cod_Ind
Cod_Ind = Reg.Cod_Ind +1
Crear(C, Cod_Exp, Cod_Ind, Camino )
CASE 5:
C = Concepto de Exp.Infija
Crear(C, Cod_Exp, Cod_Ind, Camino )
FIN AplicarRegla
CHEQUEAR()
Entrada: UltimoRegistro
Salida: Contradicción o no-contradicción
READ Cod_Exp // leer el codigo de expresión del
ultimo registro
Contradicción = no // iniciar con no contradicción
Marca = Izquierda
READ Expresión & Camino
GOTO Registro inicial de Almacen
WHILE(EOF != NIL & Contradiccion = no &
RegLeido.Camino != 0 ) DO
IF(Reg.Leido.Expresion = ¬ Expresión)
THEN
Contradicción = si
IF (Camino = par) THEN Marca = Derecha
FIN IF
FIN WHILE
IF(Contradiccion = si) THEN
WHILE(EOF != NIL) DO
IF RegLeido.Camino = Camino THEN
RegLeido.Camino = 0
FIN WHILE
IF(Marca = Derecha) THEN
Camino = Cam.CEND[i]
WHILE EOF != NIL DO
IF RegLeido.Camino = Camino THEN
RegLeido.Camino =0
FIN WHILE
FIN IF
FIN IF
RETURN Contradiccion.
FIN CHEQUEAR
INDIVIDUO Representa el objeto que se instancia en
una expresión de conceptos.
5 ALGORITMO DE SATISFACTIBILIDAD DE UNA
EXPRESIÓN DE CONCEPTOS C
Sea A un ABox, el árbol n-ario GA inducido por A,
donde cada nodo es una instancia de la clase
Expresión, los nodos descendientes son instancias
generadas por el algoritmo ALC de la aplicación de
las reglas de terminación del Cálculo de Tableaux,
partiendo de una ABox inicial {xo : C}.
Atributo:
Cod_Ind: Descrito antes.
Operaciones:
Crear(): Crea el código asociado a un individuo
EXPRESION Es la clase que se le asocia una expresión
de conceptos y un constructor lógico.
Atributos:
Expresion: Descrito antes.
Tipo-Const: Descrito antes. Asignado los siguientes
valores:
Para un concepto atómico = 0 y para un concepto
atómico negado = 1.
Constructor * = 2
Constructor + = 3
Constructor $ = 4
=5
Constructor
Operaciones:
Crear(): Crea el valor del campo de Expresión y el
Tipo_Const.
Analizar(): Determina el constructor asociado a la
expresión de conceptos.
Entrada: Expresión de Conceptos
Salida: Insatisfactible | Satisfactible
Proceso: SAT(C): Cadena
SAT(C): = Sat (x , C )//Crear(C,1,1,2) creación
de la tabla Almacén y el primer registro.
i=0
//índice para + camino y para
invalidarlo si presenta contradicción
WHILE(EOF != NIL) DO
IF (Estado = 0) THEN
Count = MaxCod_Exp +1
Expandir(Estrategia(Cod_Exp))
ELSE(Estado = 1) Count = MaxCod_Exp
FIN IF
Aux =1 // Auxiliar es una variable que mira
si existe algun registro por analizar
WHILE(EOF != NIL) DO
IF Estado = 0 THEN Aux = 0
FIN WHILE
WHILE (Count <= MaxCod_Exp) DO
IF (Chequear(Count) = NoContradicción &
Aux = 1) RETURN Satisfactible
IF (Chequear(Count) = Contradicción &
Count.Camino = C.Impar) THEN
Camino = CEND[i]+.2
Crear (ExDerCEND[i], CEND[i],
CI.CEND[i], Camino)
i = i -1
// CEND: Código de
expresión no determinista CI: código de
individuo
FIN IF
IF (Chequear(Count) = Contradicción &
Count.Camino = C.par) THEN
IF (i >0) THEN
9
Camino = CEND[i]+.2
Crear(ExDerCEND[i],CEND[i],CI.CEND[i],
Camino ) i = i -1
FIN IF
FIN IF
Count = Count +1
FIN WHILE
FIN WHILE
RETURN Insatisfactible.
Lizcano L. y Ojeda R., Fundamento formal de las
Lógicas Descriptivas. Revista de Ingeniería de la
Universidad Nacional de Colombia, 2002. En
Imprenta.
CONCLUSIONES
Mac Gregor R., Integrating Descriptions and
Classification into a Predicate Calculus Framework.
Collected Papers from the International Description
Logics Workshop (DL’99), Linköping, 1999.
En este artículo se ha presentado un cálculo para
verificar la relación de subsumición de un concepto
en el lenguaje ALC, utilizando un paradigma
matemático sobre la equivalencia entre la subsumición
y satisfactibilidad. Se ha construido una especificación
que permite desarrollar una implementación de dicho
cálculo abordando el diseño de las operaciones Crear,
Estrategia, Expandir y Chequear en seudocódigo del
proceso SAT(C) y presentando un algoritmo que evalúa
la satisfactibilidad de conceptos. Creo que estos
resultados no solo tienen una importancia teórica, sino
que el hecho de haber desarrollado estos algoritmos
permiten pensar en la implementación de los mismos
y una ampliación de este trabajo es dotar el algoritmo,
de técnicas de optimización (Lizcano, 2001).
BIBLIOGRAFIA
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systems. Journal of artificial Intelligence Research,
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for Description Logics. Ph. D. thesis, University of
Manchester, 1997.
Lizcano L., Calculo para evaluar la Satisfactibilidad
en ALC. Primera CIAMAC. Primera Conferencia
Iberoamericana de Matemática Computacional.,
Bogotá 2001
10
Lizcano L., Razonamiento en una Expresiva Abox con
Restricciones de Número. CISCI 2002 (Conferencia
Iberoamericana en Sistemas, Cibernética e Informática)
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Nutt W., Algorithms for Constraints in Deduction and
Knowledge Representation. PhD. thesis, University of
Saarlandes, 1993.
Schmidt-Schaub M. and Smolka G., Attributive concept
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48, 1-26, 1991.
Smullyan R. M. First Order Logic, Springer-verlag Berlin,
1968.
Woods W. and Schmolze J., The KL-ONE Family.
Computers and Mathematics with Aplications, Vol 23,
No. 2-5:133-177, 1992.
ESTUDIO DE LA FORMACIÓN DE HIDRÓXIDOS DE EUROPIO
POR MEDIO DE ESPECTROSCOPÍA DE FLUORESCENCIA.
Carmen Leonor Barajas Forero1, Samuel J. Traina2
Grupo FLUTER ([email protected]). Universidad
Francisco de Paula Santander, Colombia
2 Sierra Nevada Research Institute, University of California, USA
1
RESUMEN
La configuración electrónica del europio (Eu) presenta
características que lo hacen muy apropiado para el
estudio mediante técnicas espectroscópicas
especialmente la de fluorescencia. El espectro de
emisión del ion Eu(III) presenta diferentes bandas a
diferentes transiciones electrónicas. Las transiciones
5
7
5
7
Do – F1 (? = 585-600) y Do - F2 (? = 610-630)
presentan líneas intensas en el espectro del Eu(III) en
5
7
solución. La transición Do - F 2 denominada
hipersensitiva es de especial importancia ya que es
fácilmente alterada por los cambios que ocurren
alrededor del ión. El parámetro ? ( I 5Do – 7F1 / I 5Do - 7F2)
que define la relación de intensidades entre la banda
no sensitiva y la hipersensitiva permite caracterizar las
propiedades físicas y químicas de los complejos y
provee información sobre su simetría.
Cuando se estudian procesos de adsorción del ion
Eu(III) en un sólido, la identificación espectroscópica
de estos hidróxidos es importante, porque de esta
forma se ayuda a caracterizar las diferentes especies
del ion en las diferentes fases. El objetivo de este estudio
fue identificar mediante el uso de la espectroscopía
de fluorescencia, los diferentes hidróxidos de Eu(III)
formados a condiciones que pueden ser esperadas en
los procesos de absorción. El estudio de fluorescencia
mostró que la hidrólisis de Eu(III) empieza a valores
de pH más altos que 6. A valores ? 6 no se observaron
diferencias en los espectros. La formación de
compuestos debido a la hidrólisis implica que la
posición de la banda hipersensitiva sea trasladada a
longitudes de onda menores ( energías más altas) y
en la presencia de carbonatos ambas bandas se
manifiestan a longitudes de onda aún menores y el
parámetro ? incrementa su valor.
El término lantánido se usa para designar los elementos
con números atómicos entre 57 y 71. Estos elementos
normalmente existen como cationes trivalentes con una
configuración electrónica (Xe) 4fn donde n varía desde
1 (Ce+3) hasta 14 (Lu+3). Las transiciones de los
electrones f son responsables por las interesantes
propiedades fotofísicas de los iones de los lantánidos
tales como la luminiscencia de larga vida y las agudas
líneas de absorción y emisión.
Los lantánidos han sido usados en diferentes métodos
y técnicas de investigación tales como espectroscopía
de luminiscencia (fluorescencia, fosforescencia,
luminiscencia química o bioluminiscencia),
espectroscopía de resonancia magnética nuclear
(NMR), espectroscopía de Mossbauer, espectroscopía
de resonancia paramagnética electrónica (EPR),
análisis de activación de neutrones y microscopía
electrónica (Elbanowiski y Makowska, 1996).
La espectroscopía de fluorescencia es el resultado de
un proceso de tres etapas: excitación, permanencia
en el estado excitado y emisión de la fluorescencia.
En la primera etapa una fuente externa, por ejemplo
una lámpara incandescente o una fuente láser, produce
un fotón de energía hvex, el cual es absorbido por el
fluoroforo, produciendo un estado electrónico
excitado, singlete. Un estado singlete es un par de
electrones no enlazados en el cual uno de los
electrones está girando en posición opuesta al otro. Si
el electrón excitado pierde su pareja entonces habrá
dos electrones sin pareja con el mismo spin. Así se
forma un estado triplete. (Meloan C.E., 1968). El
estado excitado perdura por aproximadamente de 10-9
hasta 10-8 segundos.
En la segunda etapa el electrón sufre cambios en su
conformación y está sujeto a diferentes posibles
interacciones con su ambiente molecular. El electrón
puede perder parte de su energía debido a colisión
con otras moléculas o debido a posibles rotaciones o
11
vibraciones en la molécula. Típicamente la transición
ocurre de un estado basal singlete (S0) a un estado
excitado singlete (S1), pero la transición de un estado
basal singlete a un estado excitado triplete es prohibida
de acuerdo al spin y la probabilidad de que esta
situación suceda es bastante baja. (Traina y
Chattopadhyay, 1996).
En la tercera etapa la emisión de la fluorescencia ocurre
cuando el electrón vuelve a su estado basal S0 y emite
un fotón de energía hvem. Esta energía de emisión es
más baja que la energía de excitación del fotón, por
consiguiente su longitud de onda es más larga.
Existen dos técnicas básicas en los estudios de
fluorescencia: la espectroscopía de emisión y la de
excitación. La primera ocurre cuando una muestra es
excitada a una longitud de onda dada y la emisión
del monocromador es escaneada. En la segunda
técnica se monitorea la emisión a una longitud de
onda particular mientras se escanea el origen de la
excitación.
Atenuación (quenching ) de la fluorescencia.
Este término se refiere a cualquier proceso que
disminuya la intensidad de la fluorescencia de alguna
sustancia. La sustancia que produce este efecto se
denomina atenuador (quencher). Este proceso se
denomina estático o dinámico dependiendo del
mecanismo que cause la atenuación de la
fluorescencia. El quenching estático es debido a la
formación de un complejo basal y el dinámico es
causado por las colisiones entre el fluorescente excitado
y una molécula en estado basal (Lakowics, 1986). De
acuerdo con Traina y Chatopadhyay (1996) este
proceso puede ser representado por las siguientes
etapas:
(Fluorescencia)
(Conversión interna)
12
(Entrecruzamiento
entre sistemas)
(Quenching)
Donde M* y M representan el fluorescente en el estado
excitado y en el estado basal respectivamente y Q
representa el quencher.
La condición básica necesaria para que se produzca
el quenching es el contacto molecular entre el
fluorescente y el quencher. Esta característica puede
ser explotada para especificar la posición de un
fluorescente dado en la interfase mineral-agua o puede
servir también para identificar el mecanismo de
absorción de un fluorescente cuando sistemas binarios
(sólido-fluorescente) o sistemas ternarios (sólidoligando-fluorescente) son estudiados. El quenching de
la fluorescencia ha sido usado ampliamente en
biología. Por ejemplo, en experimentos con proteínas,
el quenching de la fluorescencia permitió dilucidar los
cambios ocasionados en la conformación de
macromoléculas debido a la acción de ligandos y
cambios en pH (Eftink, 1991). En otro tipo de
aplicaciones, Laor et al (1998), usaron el fenantreno
como un sustrato modelo con el fin de estudiar los
mecanismos de absorción en minerales asociados con
ácidos húmicos.
Europio
Europio (Eu) es un miembro del grupo de los lantánidos
en el cual los electrones de la capa 4f se encuentran
protegidos del ambiente externo por electrones de las
capas más altas (5s, 5p), por consiguiente los orbitales
interiores no ejercen un importante rol en el enlace.
Debido a que los orbitales 4f están protegidos, el
campo electrostático producido por la coordinación
de ligandos causa sólo pequeñas perturbaciones en
los niveles de energía de los electrones 4f. Este escudo
es responsable por las especiales características
observadas en los espectros de absorción y emisión
del Eu (Pesterfield, 1991).
El europio presenta una importante diferencia
energética entre el nivel más bajo de emisión y el
estado basal. Las transiciones desde los niveles altos
de energía hacia el estado basal son observadas en
la región visible del espectro electromagnético.
El espectro de emisión del europio es caracterizado
por diferentes bandas a diferentes transiciones
5
D0 – 7Fi (J= 0,1,2,3,4). La transición 5D0 – 7F0 (577581 nm) es útil para caracterizar el ambiente químico
del Eu(III). Este tiene estados basal (7F0) y emisivos
( 5D0) no degenerados los cuales no pueden ser
dispersados por un ligando de ninguna simetría (Latva,
et al, 1998). Debido a que esta transición es prohibida,
la intensidad de esta banda es muy baja y se requiere
excitación láser para observarla. Las transiciones
5
D0 – 7F1 (l = 585-600) y 5D0 – 7F2 (l = 610-630)
presentan líneas intensas en el espectro del Eu(III) en
solución. Aunque la mayoría de las transiciones del
Eu(III) son insensitivas, la transición 5D0 – 7F2 es
denominada “hipersensitiva” debido a que es
fácilmente alterada por los cambios que ocurran
alrededor del ión. De acuerdo con Mason et al (1974)
la distribución de carga de una transición f-f del ion es
capaz de polarizar el ligando, extendiendo de esta
manera la esfera de influencia de los electrones f. Ha
sido observado que bajo las mismas condiciones, la
intensidad de la banda hipersensitiva se incrementa
más rápidamente que la intensidad de la banda no
sensitiva cuando se forma un complejo (Elbanowiski
et al, 1985). Debido a lo anterior es posible calcular
el parámetro h (I5D0 – 7F1 / I5D0 – 7F2) que define la
relación de intensidades entre la banda no sensitiva y
la hipersensitiva. Este parámetro permite caracterizar
las propiedades físicas y químicas de los complejos y
provee información sobre su simetría. Por ejemplo, el
complejo acuoso del ion Eu(III) tiene un valor h
bastante bajo (0.39), lo cual significa que las moléculas
de agua están arregladas simétricamente alrededor
del ion Eu(III). La formación de los complejos implica
la remoción de las moléculas de agua que se
encuentran coordinadas en la esfera interna ocasionando
por tanto una disminución de la simetría (Lis, 1994)
causando el incremento progresivo de valor de h
Formación de los hidróxidos de europio
La presencia de hidróxidos juega un importante papel
en los procesos de adsorción. Ellos pueden ser
adsorbidos por la fase sólida o pueden competir con
los ligandos en la fase líquida. La hidrólisis de los iones
trivalentes es importante en estudios de formación de
complejos especialmente si el ligando contiene grupos
funcionales ácidos débiles.
A bajo pH, la formación de compuestos hidroxo es
despreciable y se puede ignorar su presencia pero a
altos pH la formación de los hidróxidos causa una
disminución en la concentración del metal libre lo cual
puede afectar el equilibrio metal-ligando (Nayan y Dey,
1977). Takahashi et al, 1998 sugieren que los
precipitados de Eu(III) pueden empezar a formarse a
pH 6.2 asumiendo la formación de EuOHCO3 (s) o
por encima de pH 7 asumiendo la formación de
Eu(OH)3 (s).
Cuando se estudian procesos de adsorción del ion
Eu(III) en un sólido, la espectroscópica identificación
de estos hidróxidos es importante, porque de esta
forma se ayuda a caracterizar las diferentes especies
del ion en las diferentes fases. El objetivo de este estudio
fue identificar mediante el uso de la espectroscopia
de fluorescencia, los diferentes hidróxidos de Eu(III)
formados a condiciones que pueden ser esperadas
en los procesos de absorción.
Previamente al trabajo experimental un estudio de
especiación fue realizado para el europio considerando
condiciones inertes o condiciones en equilibrio
atmosférico. Los cálculos fueron realizados con ayuda
del programa PHREEQ. 2001. Los resultados de estas
calculaciones son presentados en las figuras 1 y 2.
13
Figura1. Especiación de europio como una función de pH.
El CO2 no fue incluído en los cálculos. La concentración de
Eu(III) es 100 mM.
Figura 2. Especiación de europio en función del pH cuando se
asume equilibrio con CO2. Una fuerza iónica de 0.1M fue
considerada y la concentración de europio analizada fue 100mM.
MATERIALES
Se prepararon soluciones stock de europio (0.02M)
disolviendo cantidades apropiadas de Eu(NO3)3.6H2O
(99.9% GFS Chemicals) en agua doblemente
deionizada. Muestras acuosas a diferentes valores de
pH fueron preparadas en condiciones inertes (Ar) y a
condiciones atmosféricas. Cada muestra tenía un
volumen de 20 ml y una concentración de100 mM de
Eu(III). El pH fue ajustado con pequeñas cantidades
de HNO3 0.1M o NaOH 0.1M. Muestras paralelas
fueron preparadas con fuerzas iónicas de 0.1M.
14
Los espectros de emisión del europio fueron obtenidos
usando un espectrómetro de luminiscencia AmincoBowman Series 2 con una longitud de onda de
excitación de 364nm. Un promedio de 10
escanogramas fueron tomados por cada muestra y
las intensidades fueron obtenidas cada 0.5 nm. La
potencia de la lámpara usada (lámpara de Xenon) fue
1275W y la amplitud de las ranuras fue mantenida en
4. Las muestras líquidas fueron depositadas en cubetas
de cuarzo de 3ml de capacidad. Los datos obtenidos
fueron analizados usando el programa GRAMS 386
(Galactic Industries Corporation).
RESULTADOS Y DISCUSIÓN
Como puede observarse, en los experimentos
realizados en condiciones inertes, la posición de los
picos de la transición 5D0 – 7F1 es muy similar (596.07+
0.1nm) y las intensidades de esta banda disminuyen
de acuerdo con el pH (Figura 3). Mientras tanto, la
posición de los picos de la banda hipersensitiva (5D0 –
7
F 2) varía y se mueve hacia energías más altas
(longitudes de onda más cortas) e intensidades más
altas (Tabla 1). Cuando el pH alcanza un valor de
10.2, una inesperada disminución de la intensidad es
observada, debido posiblemente a la formación de
precipitados.
pH
5
Posición
Intensidad
D0 – 7F1
5
D0 – 7F1
5
Posición
Intensidad
D0 – 7F2
5
D0 – 7F2
3.2
596.1
0.55
620.6
0.19
6.0
596.0
0.52
620.6
0.19
7.7
596.0
0.30
620.2
0.23
8.1
596.1
0.27
620.4
0.24
10.2
596.1
0.06
618.8
0.10
Tabla 1. Parámetros de los espectros de emisión del ion Eu(III)
en solución acuosa a diferentes pH. (Condiciones inertes)
La figura 4 muestra el cambio relativo de las
intensidades de las dos transiciones consideradas en
este estudio. En esta gráfica, la formación de complejos
es fácilmente vista cuando se observa la inversión de
las intensidades de las dos bandas a medida que el
pH aumenta.
pH
h
3.2
0.36
4.9
0.36
6.0
0.37
7.6
0.78
8.1
0.91
9.1
1.54
10.2
1.75
Tabla 2. Relación de las intensidades (h) de las transiciones 5D0
– 7F2 y 5D0 – 7F1.
Figura 3. Espectro de emisión del ion Eu(III) en solución acuosa
bajo condiciones inertes.
Figura 4. Superposición de los espectros de emisión con el fin
de facilitar la observación de la inversión de las intensidades.
Cuando las moléculas de agua se separan de la esfera
interna del metal, la simetría del complejo decrece y
entonces el parámetro h aumenta. La intensidad de la
fluorescencia del ion Eu(III) fue medida a diferentes
pH para determinar el valor del mencionado
parámetro. Los valores así calculados se muestran en
la tabla 2.
El incremento gradual de h sugiere la formación
paulatina de los complejos hidróxidos de Eu(III) a partir
de pH igual a 6 (figura 5). Los cálculos de formación
de especies realizado con el software PHREEQ
(PHREEQ, 201) muestran la formación de Eu2OH2+4
(aproximadamente 40% alrededor de pH 6) y otras
especies a pH más altos (figura 2). Estos resultados
están de acuerdo con los reportados por Lee et al,
1995 quienes usaron espectroscospía láser para estudiar
el espectro de excitación de la transición 7F0 – 5D0.
Ellos encontraron que la formación de los complejos
hidróxidos de Eu (III) fue significante a partir de pH 6.
Cuando los experimentos se realizaron a condiciones
atmosféricas y una fuerza iónica de 0.1M, el parámetro
h mostró un notable aumento en comparación con
los experimentos llevados a cabo en soluciones
acuosas con fuerza iónica 0 y condiciones inertes
(figura 6). Esto es posiblemente debido a la formación
adicional de nitratos a bajos pH y bicarbonatos y
carbonatos a valores de pH superiores. El resultado
de los cálculos teóricos de la formación de estas
especies se presenta en la figura 2. El valor de h se
incrementa continuamente pero a pH igual a 9.9 se
observa un decrecimiento debido posiblemente a la
precipitación de los carbonatos. Así mismo se observa
que la posición del pico correspondiente a la primera
transición muestra un desvío hacia longitudes de onda
más bajas si se compara con los resultados de los
experimentos realizados bajo condiciones inertes (tabla 3).
15
El análisis de la fluorescencia de un precipitado
(posiblemente una mayor parte de Eu(OH) 3 (s) )
preparado bajo condiciones inertes mediante la
elevación del pH de una solución acuosa 0.2M de
Eu, mostró un espectro con intensidades mucho más
altas que el de las soluciones acuosas (figura 7).
Cuando el precipitado se preparó bajo condiciones
atmosféricas, el espectro de fluorescencia presentó un
primer pico más amplio y una joroba en el segundo,
debido posiblemente a la presencia de carbonatos.
Figura 5. Valores de h vs. pH
pH
Posición
Intensidad
5D – 7F 5D – 7F
0
1
0
1
Posición
Intensidad
5D – 7F 5D – 7F
0
2
0
2
h
5.3
595.6
0.14
619.9
0.08
0.54
6.3
595.6
0.14
620.2
0.08
0.58
7.0
595.5
0.10
619.7
0.11
1.08
8.0
595.5
0.07
619.0
0.14
1.84
9.9
595.9
0.10
618.7
0.18
1.78
Tabla 3. Parámetros de los espectros de emisión de las
soluciones acuosas de Eu(III) preparadas bajo condiciones
atmosféricas.
(a)
(b)
Figura 6. Espectros de emisión de las soluciones de Eu(III)
preparadas bajo condiciones atmosféricas y fuerza iónica
de 0.1M.
16
Figura 7. Espectros del precipitado de europio. a) Condiciones
inertes b) Condiciones atmosféricas
(a)
(b)
Se hicieron análisis de descomposición de los espectros
a algunas muestras seleccionadas con el fin de
observar el comportamiento de las diferentes especies
presentes. Para este análisis se utilizó la aplicación
ajuste de picos (denominada también descomposición
de picos) del software Grams/32 AI 6.0 (Galactic
industries Corporation). Esta aplicación se basa en el
método Levenberg – Marquardt, el cual es un método
iterativo que se inicia con la asignación de un conjunto
de parámetros a los picos que van a ser analizados;
estos parámetros son modificados hasta que un valor
mínimo de c2 (bondad del ajuste) es alcanzado. Para
este análisis una función Gausiana fue escogida con
una sensibilidad mediana. La transición hipersensitiva
muestra dos picos diferentes tanto a pH 8 como pH
9.9. Ambos picos presentan intensidades más altas a
pH 9.9 y la relación de intensidades también cambia
con referencia a pH 8, lo cual puede indicar que la
cantidad de especies presentes también cambia.
(Tabla 4).
pH
Posición
pico
Intensidad
(1)
Posición
pico
Intensidad
(2)
Relación
(1)/(2)
8.0*
617.41
0.0849
622.15
0.0921
0.92
9.9*
617.34
0.1239
622.49
0.1166
1.06
10.2+ 617.42
0.0689
623.34
0.0686
1.00
* Condiciones atmosféricas
+ Condiciones inertes
Tabla 4. Datos sobre la descomposición de los espectros
En las muestras a pH 8 y 9.9 la presencia de CO2 en
el ambiente puede influenciar la posición de los picos,
lo cual puede observarse al comparar estos valores
con los de la muestra en condiciones inertes.
CONCLUSIONES
(c)
Figura 8. Descomposición delos espectros de fluorescencia de
las soluciones de Eu(III). Las soluciones a y b fueron preparadas
a condiciones atmósfericas y la solución c bajo condiciones
inertes. a) pH 8 b) pH 9.9 c) pH 10.2.
El estudio de fluorescencia mostró que la hidrólisis de
Eu(III) empieza a valores de pH más altos que 6. A
valores < 6 no se observaron diferencias en los
espectros. La formación de compuestos debido a la
hidrólisis implica que la posición de la banda
17
hipersensitiva sea trasladada a longitudes de onda
menores (energías más altas) y en la presencia de
carbonatos ambas bandas se manifiestan a longitudes
de onda aún menores y el parámetro h incrementa su
valor. La información aquí recopilada es de gran
utilidad cuando se hacen estudios de fluorescencia en
procesos de adsorción en sistemas binarios y ternarios
que impliquen la presencia de Eu(III).
Lee, B.H., Park, Y.J., Monn, H. Identification of
Europium (III) hydroxide formation by Eu(III)
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Society. 16(7), 654, (1995)
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IMPLANTACIÓN IÓNICA
H.J. Dulcé Moreno1 , V.D. Dougar-Jabon°, P. A. Tsygankov*
Universidad Francisco de Paula Santander, A.A.1055 Cúcuta,
Colombia
° Universidad Industrial de Santander, A.A.678 Bucaramanga,
Colombia
* Moscow Bauman State Technical University, Moscow, Russia
RESUMEN
En este trabajo se presenta una revisión de las diferentes
técnicas de implantación de iones desde los
implantadores por haces iónicos, utilizados en la
fabricación de semiconductores, pasando por una serie
de desarrollos con base en la tecnología de la física
del plasma, hasta llegar a la técnica denominada
Implantación Iónica Tridimensional (3DII).
Para cada una de las técnicas de implantación iónica
se presentan los dispositivos más comunes y se analizan
sus características principales. Para el caso de la
Implantación Iónica Tridimensional se describe el
equipo JUPITER (Joint Universal Plasma and Ion
Technologies Experimental Reactor), único en el
mundo, para la investigación de descargas pulsadas
de alto voltaje a bajas presiones y para el tratamiento
superficial de materiales. Este dispositivo se implementó
en el Laboratorio de Física del Plasma y Corrosión de
la Universidad Industrial de Santander, con la
colaboración financiera de COLCIENCIAS y con la
cooperación de la Universidad Técnica Estatal Bauman
de Moscú.
de tratamiento superficial avanzado que logren mejorar
propiedades de los materiales tales como:
microdureza, resistencia al desgaste por fricción,
resistencia a la corrosión, etc. No hay duda que el
progreso en estas ramas está ligado ante todo con los
éxitos en el diseño y construcción de dispositivos que,
como resultado de amplios estudios y del control de
los procesos que en ellos se suceden, logren la
producción de materiales con propiedades tribológicas
predeterminadas de acuerdo con una necesidad
específica.
Desde los años 70 se realizan investigaciones intensas
en el área de tratamiento de superficies de materiales
de construcción por haces de partículas cargadas y
especialmente por haces iónicos. Dependiendo de la
energía con la que los iones llegan a una superficie
puede prevalecer uno de tres procesos diferentes (ver
figura 1). Si la energía es muy baja (hasta decenas de
electrón-voltios) los iones se depositan en la superficie,
creándose un recubrimiento – película delgada. Si la
energía es mayor (algunos centenas de electrón-voltios)
predomina un proceso de chisporroteo de la superficie
(conocido como sputtering), dicho proceso es útil para
limpieza superficial o para evaporar materiales en
procesos de recubrimiento. Finalmente, a energías
mucho mayores (desde 5 kilo-electrón-voltios hasta
algunos Mega-electrón-voltios), los iones penetran
dentro de la superficie sólida incrustándose a una
profundidad de varias capas atómicas. Este proceso
se conoce como implantación iónica (Molera, 1991).
PALABRAS CLAVES: Implantación iónica
tridimensional, descarga de alto voltaje, nitruración.
1. INTRODUCCIÓN
Uno de los problemas de más actualidad en la industria
metalmecánica de alta tecnología, y en la fabricación
de aparatos de precisión, es el desarrollo de técnicas
1
[email protected]
Figura 1. Tipos de procesos según el potencial acelerador
19
Las tecnologías iónicas se refieren por su realización
técnica a métodos vacío-plásmicos que permiten
producir capas modificadas con adhesión del 100%
al material tratado, diferenciándose y superando en
este aspecto a los métodos tradicionales de aplicación
de recubrimientos en vacío (magnetrón, acelerador,
chisporroteo resistivo o activo).
químicos, destrucción de composiciones originales,
difusión estimulada por radiación, etc., y el producto
final del tratamiento es una resultante de todos estos
(Sharkeev, et al, 1997). Por lo anterior hasta el presente
no se ha elaborado una teoría completa que abarque
y determine en su totalidad el proceso de modificación
de una superficie por un haz iónico.
En el proceso de implantación de iones acelerados
tiene lugar la modificación en las capas superficial y
subsuperficial del material original sin cambio en las
dimensiones geométricas de la pieza tratada y no se
presenta, como en el caso de chisporroteo, una
frontera bien definida capa – material original con
diferentes características físicas (por ejemplo, diferente
coeficiente de expansión térmica). En este sentido este
método es próximo a los procesos tradicionales de
saturación de superficies de materiales sólidos con
adición de aleado tales como nitruración,
carbonización, cementación con boro, etc. Es muy
importante tener en cuenta que el mecanismo de
adición difiere radicalmente ya que la concentración
de aditivo se determina no por las constantes de
difusión del proceso en equilibrio de saturación de la
superficie sino por las interacciones cinéticas del ion,
acelerado hasta decenas kilo-electrón-voltios, con la
red cristalina del material a tratar (Ziegler, et al, 1985).
Una consecuencia de esta diferencia es que la
concentración del elemento implantado puede
alcanzar un 20-70% en comparación con 3-7% que
es común para los procesos de difusión. Con todo
esto el tratamiento por implantación no se acompaña
por calentamiento significativo del material tratado que
es una ventaja muy grande frente a los métodos físicoquímicos donde la temperatura del procesamiento es
alta, en algunos casos supera la temperatura de
transformación de fase. Una temperatura alta puede
producir deformación de las piezas tratadas.
Entre los principales mecanismos que producen
endurecimiento de metal se pueden mencionar
algunos: creación de composiciones químicas, defectos
por radiación de la red cristalina, formación de capas
subsuperficiales que provocan la tensión compresión
– extensión en la superficie de material. Todavía no
existe una solución al problema de determinar con
exactitud cual es el efecto de modificación y el
comportamiento de la capa que se desgasta ya que el
grosor de capas obtenidas por implantación iónica en la
mayoría de los casos no supera un micrómetro (10-6 m).
Sin embargo los resultados impresionantes en la
modificación de las propiedades tribológicas de
materiales por los métodos de implantación iónica han
obligado a los investigadores a buscar los métodos
óptimos de la nueva tecnología, y a diseñar equipos
con tecnologías especializadas.
El ion frenado en el material participa y estimula una
gran cantidad de procesos a nivel superficial y
subsuperficial: crecimiento y traslación de
dislocaciones, formación de nuevos compuestos
20
Una razón por la que no se utiliza ampliamente en la
industria este método es la no existencia de un equipo
simple, seguro y económico.
2. DESARROLLO DE LAS TÉCNICAS DE
IMPLANTACIÓN IÓNICA
La implantación iónica se ha usado durante más de
40 años en la industria de semiconductores debido a
las posibilidades únicas en la formación de capas de
grosor predeterminado con una conductividad
seleccionada a una profundidad dada dentro de una
base semiconductora.
Desde la mitad de la década de los 60 todos los
equipos industriales se diseñaban para funcionar con
elementos microelectrónicos en condiciones específicas
de fabricación. En primer lugar se debía dar una
organización del proceso de fabricación en
condiciones de alto vacío (HV, presiones no mayores
a 10-3Pa) donde se minimizaban las posibilidades de
contaminación del semiconductor por impurezas
especialmente en la zona de ubicación de la base
(blanco); en segundo lugar se debía conseguir una
dosis de iones a implantar generalmente baja (hasta
1020 m-2) con energía hasta 1x106 eV; en tercer lugar
se debía cumplir con exigencias rígidas para
separación por masas de los iones a implantar,
homogeneidad energética de iones, barrido regular
del haz iónico sobre la superficie plana del blanco y
precisión de focalización. Los esfuerzos hechos en esta
área permitieron, al inicio de los años 80, crear unos
equipos efectivos y perfectos para aleación iónica de
semiconductores (Ziegler, 1992). Entre las empresas
que construyeron y aún producen equipos industriales
para implantación iónica se pueden mencionar: Eaton
Corporation (USA), Balzers (Lichtenstein), Nissan
Electric (Japan), Hitachi (Japan), Varian Corporation
(USA), Vesuvio (Russia).
En la década de los 70 se prestó atención a las
posibilidades de la tecnología de implantación iónica
en el área de modificaciones de materiales metálicos.
Se obtuvieron resultados positivos que mostraron
cambio significativo de las propiedades tribológicas
de metales, aumento de la resistencia a la corrosión,
aumento de resistencia a la fatiga de metales. Los
resultados más completos de las investigaciones en
esta etapa de desarrollo de los métodos de
implantación iónica para los materiales de construcción
se colectan en una monografía (Hirvonen, 1980). Las
investigaciones se realizaron en equipos modernizados
(originalmente destinados para tratamiento de
semiconductores) que fueron adecuados para
experimentos de laboratorio.
Al inicio de los años 80 se comprendió que el método
de implantación iónica poseía un valor práctico en el
mejoramiento de las propiedades superficiales de los
materiales, y una serie de empresas comenzaron a
diseñar equipos especializados. Muchos equipos
fabricados en los 80 tienen “lunares” de los equipos
antecesores destinados para fabricación de
semiconductores. Uno de los equipos industriales más
perfectos construidos con un esquema tradicional para
implantación iónica de materiales es el equipo de la
empresa Danfysik (Denmark), serie 1090- 200
(Streade, 1989). Este equipo está diseñado según un
esquema clásico de la técnica de fabricación de
semiconductores representado en la figura 2, y que
como se puede observar incluye:
- fuente iónica y sistema de extracción de iones (1),
- separador de masas (2),
- sistema de aceleración de iones (3),
- sistema de formación y de barrido de haz iónico
sobre un material a tratar (4),
- cámara de tratamiento con una mesa especial
multicoordenada y móvil sobre la cual se colocan
los objetos a tratar (5),
- sistema de vacío (6).
Figura 2. Esquema de un implantador para fabricación de
semiconductores.
La dosis de iones implantados con la cual se
manifiestan efectos en la superficie de los materiales
es significativamente mayor que la requerida en la
producción de semiconductores. Para garantizar
productividad aceptable de los equipos industriales se
utilizan fuentes iónicas que logren valores grandes de
corriente de iones y que tengan la posibilidad de
generar iones de metales, gases simples y complejos.
En el implantador Danfysik 1090-200 se utiliza una
fuente iónica plásmica Chordis 920 con la corriente
de salida 4x10-2 A. La fuente se adiciona con un sistema
de chisporroteo para metales refractarios. Tal fuente
permite alcanzar una corriente en haz mayor que
21
5x10-3 A para N+ y Ar y 2x10-3 A para Ti+, Y+, Ni+. El
sistema de separación de masas garantiza resolución
en masas M/DM = 200, que permite manejar la
composición isotópica del haz. Después de la
separación los iones unicargados se aceleran hasta
2x105 eV y se barre en dos coordenadas X-Y sobre la
superficie plana de dimensión 0,40 m x 0,40 m. La
potencia media consumida es de 6,0x10 4 W
aproximadamente. El área ocupada por el equipo es
48 m2, la altura máxima del equipo es 3 m. La cámara
de tratamiento donde se ubica la mesa de
manipulación es de 0,6x0,6x0,7 m3. La mayoría de
las piezas industriales a tratar tienen configuraciones
complejas no planas que obliga a utilizar sistemas de
rotación y traslación para tratamiento uniforme de las
piezas por todos lados. Sin embargo es preferible
garantizar el ángulo de incidencia de iones normal ya
que una desviación de 30° respecto a la normal
produce disminución de la dosis implantada en 1,2 a
2 veces. En algunos casos esto no es aceptable, no
solo debido a la caída en la productividad del
tratamiento sino a la pérdida de calidad, especialmente
para detalles que funcionan en condiciones de carga.
Para resolver este problema se diseñaron sistemas de
manipulación complejos y costosos, ya que debían
funcionar en ultra alto vacío (UHV). Además estos
sistemas debían garantizar enfriamiento de los
materiales que se calientan bajo el haz iónico. El
sistema de manipulación de muestras es una parte de
todos los equipos de implantación fabricados a partir
de los haces iónicos.
Otros dispositivos de implantación iónica industrial que
se han construido según el esquema clásico son: el
equipo KAX-1000 de la empresa ULVAC (Japan) que
produce una corriente iónica 5x10-3 A con una energía
de 7,0x104 eV y el equipo ManTech de la empresa
Spire (USA) que fue desarrollado con base en el
implantador comercial para semiconductores de la
empresa Eaton (USA).
Los estudios de las propiedades de materiales
implantados con haces iónicos demostraron que no
22
hay restricciones rígidas sobre composición
(especialmente isotópica). Esto permitió obviar los
sistemas de separación de masas en equipos
especializados, produciendo un aumento en la
productividad y disminución significativa en el costo
de equipos. Algunos cambios en el esquema clásico
fueron hechos por las empresas Leybold AG (Alemania)
en los equipos LION6000 y Zymer Inc. (USA) modelo
Z-100. El implantador LION6000 tiene en su
composición una fuente de radiofrecuencias que
funciona en condiciones de resonancia ciclotrónica
electrónica a una presión de 10-2 Pa (Korber and Munz,
1989). Debido al alto grado de ionización del gas de
trabajo se logra generar una densidad de la corriente
iónica de 20 A/m2. El voltaje de aceleración puede
alcanzar 1,5x105 V y la corriente iónica 4,0x10-3 A.
En el diseño Z-100 los especialistas no prescindieron
del sistema de barrido (scanning bidimensional) pero
aplicaron esfuerzos máximos para simplificar el manejo
y explotación del equipo, es decir buscaron garantizar
manejo del equipo por un personal no muy calificado
(Denholm and Wittkower, 1985). Esta propiedad junto
con las posibilidades técnicas provocó una difusión
amplia del implantador.
Las ideas y éxitos tecnológicos que ocurrieron en el
proceso de creación de motores de propulsión de
apertura ancha para aparatos cósmicos dio origen a
la generación siguiente de equipos para tratamiento
iónico de materiales, estos resultaron ser más
económicos y más simples en servicio, sin sistemas de
separación de masas y de barrido. Como ejemplo de
este tipo de equipo vale la pena mencionar un
implantador diseñado en Colorado State University en
la base de un motor de propulsión iónico creado en
la NASA (Destefani,1988). Este sistema garantiza una
corriente hasta 5x10-2 A con energía de 8x104 eV. El
implantador del Centro Tecnológico DIANA-2 de
Tomsk (Rusia) pertenece al tipo mencionado arriba y
tiene parámetros que prácticamente coinciden con el
equipo de la Colorado State University.
Al estudiar el historial del desarrollo de equipos para
la implantación iónica de materiales es posible
distinguir dos tendencias: simplificación del esquema
funcional (a cuenta de renuncia del sistema de
separación de iones y de barrido) y disminución de
energía de iones implantados con aumento simultáneo
de densidad de la corriente iónica, que produce un
crecimiento en la productividad del equipo. Por
ejemplo, un implantador inicial de la empresa Nissan
Electric generaba iones con energía de 1x106 eV, pero
ahora el rango más usado es 3x104 – 8x104 eV. Esto
teniendo también en cuenta los procesos combinados
que se observan bajo haces iónicos de alta energía. Entre
estos procesos los más conocidos son:
- mixing, es decir mezclado de materiales de base
y de la capa chisporroteada,
- penning, que consiste en el proceso de incrustar
un recubrimiento en el material de base, utilizando
iones pesados de alta energía, para aumentar la
adherencia.
A pesar de que la tecnología de tratamiento por haces
alcanzó un grado alto de perfeccionamiento y de
seguridad presentaba una desventaja esencial – el
tratamiento en línea recta (line of sight). La utilización
de sistemas complejos de manipulación de las piezas
a tratar resolvía solamente parcialmente este problema,
ya que no permitía procesar con la misma calidad
todas las partes de una pieza de forma compleja.
Adicionalmente los sistemas de manipulación debían
funcionar en ultra alto vacío aumentando
significativamente el costo de todo el equipo.
En resumen un equipo para tratamiento de materiales
por haces iónicos requería:
- una cámara de vacío con la presión residual en
el nivel de 10-2 Pa donde se pudiera colocar una
mesa móvil de tres coordenadas con un sistema
de enfriamiento por agua. La mesa debía permitir
la ubicación de las muestras;
- una fuente de iones con un sistema de aceleración
de haz iónico hasta 3x104 –8x104 eV y densidad
promedia de corriente en la superficie de la
muestra de 0,1- 1,0 A/m2.
El tratamiento puede considerarse de alta calidad si el
equipo garantiza:
- la monoenergecidad de los iones del haz,
- la incidencia normal de los iones sobre la
superficie a tratar,
- la posibilidad de control y manejo de la
temperatura de la muestra, incluso sostenimiento
en un nivel significativamente menor al valor de
las temperaturas características de estabilidad de
los materiales a tratar (100-200ºC),
- la formación de haces iónicos tanto de gases
como metales,
- una velocidad de tratamiento aceptable (rapidez
de alcance de dosis de 2x1021 iones/m2 en un
nivel no menor a 2x105 – 3x105 s/m2).
Un método completamente diferente al esquema
clásico lo propuso J. K. Conrad (Universidad de
Wisconsin, Madison, USA) (Conrad, 1988). El método
se denomina -Plasma Source Ion Implantation- (PSII).
En este método una pieza a tratar se coloca en la
cámara de vacío conectada a tierra. Con una fuente
adicional (RF o DC) se forma el plasma de una
densidad de 1013 – 1014 m-3 y después entre la pieza
(cátodo) y las paredes de la cámara (ánodo) se aplica
un pulso de alto voltaje (decenas de kilo-Voltios).
Alrededor de la pieza se forma una capa plásmica
donde los iones del gas de trabajo se aceleran hasta
energías de implantación. Los iones acelerados
bombardean la superficie a tratar bajo ángulos
cercanos a la normal y penetran efectiva y
simultáneamente en la pieza por todos los lados
eliminando la necesidad de manipulación. En este
equipo no se encuentra la mesa de manipulación, y
pasa a un primer plano el problema de garantizar una
efectividad aceptable con el cumplimiento de las
exigencias de tratamiento de calidad.
Los métodos plásmicos de tratamiento superficial en
los cuales la pieza a tratar sirve como cátodo no son
nuevos y se utilizan ampliamente en tecnologías
industriales (Conrads and Schmidt, 2000). Entre ellos
se puede mencionar:
- limpieza en la capa catódica de descarga
23
luminiscente y chisporroteo (sputtering) catódico
a bajos voltajes en el rango 0,1-3 kV,
- tratamiento físico-químico de materiales de
construcción en medios activos (0,3-1,0 kV) (Von
Grun, 1987),
- chisporroteo en vacío (magnetrón) bajo el voltaje
de 0,05-2 kV (Munz, 1991).
Como base de todos los métodos de tratamiento
superficial vía plasma se encuentran las descargas de
bajo voltaje, más conocidas como descargas
luminescentes (Chapman, 1980). La diferencia
principal del proceso de implantación vía plasma con
los métodos mencionados está en la necesidad de
crear un flujo iónico, hacia un objeto, con energías
de algunas decenas – centenas de kilo-electrón-voltios.
Esta exigencia cambia la situación cualitativamente.
Es claro que se requiere generar una descarga de alto
voltaje.
La tecnología PSII (Plasma Source Ion Implantation)
se realiza con un tipo de descarga de alto voltaje que
fue descubierto y estudiado con anterioridad (Alexeff,
et al, 1969; Widner, et al, 1970; Widner, et al, 1971).
En esta tecnología primero se enciende un plasma de
baja densidad por una fuente independiente (fuente
con un cátodo calentado, descarga de
radiofrecuencias) bajo la presión del gas de trabajo
(nitrógeno, helio, hidrógeno, argón o metano) de
1,3x10-3 Pa hasta 1,3x10-1 Pa. Sobre esta descarga se
aplica un pulso de alto voltaje (hasta 1x105 V) con
duración de 1x10 -5 – 3x10 -5 s, y frecuencia de
repetición de 100 Hz que garantiza una corriente
media de 2x10-3 A.
Un interés industrial en el método PSII obligó, a finales
de los años 80, a iniciar tales desarrollos a grandes
universidades, centros científicos y laboratorios
industriales como: ASTeX, University of Tennessee,
General Motors Research Laboratory, Hughes Research
Laboratory, Varian Associates Inc. entre otros (Conrad,
1989) . Pero hasta la fecha los implantadores tipo PSII
no han encontrado todavía una aplicación amplia, en
24
la industria metalmecánica, ya que se han encontrado
una serie de dificultades significativas.
Al aplicar un pulso de alto voltaje sobre un plasma de
baja densidad, previamente generado, se presenta un
desplazamiento de iones extraídos de zonas cercanas
al objeto - cátodo. A medida que disminuye la
población de iones de estas capas se observa un
desplazamiento de la frontera de la región de escasa
carga espacial positiva alejándose más y más del
cátodo. Una representación de este fenómeno se
puede observar en la figura 3. La envoltura plásmica
que abarca el objeto a tratar se desplaza durante el
pulso de descarga. Su grosor original (a) se determina
por la densidad del plasma, la geometría de la pieza
a tratar y el potencial aplicado (Conrad, 1987;
Scheuer, et al, 1991; Tian, et al, 1999; Valentini, 2000;
Berktusunova and Demokan, 2001). La expansión
siguiente (b), (c) y (d) depende de la temperatura del
plasma y de las masas de los iones. Por ejemplo, en el
proceso de implantación de iones de nitrógeno en un
cilindro del radio de 1 cm bajo el potencial de 1x105
V la envoltura inicial es de 4x10-2 m y se expande con
la velocidad iónico-acústica 2,5x104 m/s. Luego la
duración de un pulso debe ser lo bastante pequeña
para que la envoltura expandida no entre en contacto
ni con las paredes de la cámara ni con envolturas de
los objetos próximos cuando se implantan
simultáneamente varias piezas.
Figura 3. Representación de la expansión de la cobertura en PSII
En la figura 4 se presentan los pulsos de corriente y de
voltaje típicos del método PSII (Shamin, et al, 1991a;
Shamin, Conrad, et al, 1991b). El comportamiento
de la corriente de descarga, que ha sido motivo de
muchos estudios tanto experimentales como teóricos
(Conrad, 1987; Lieberman, 1989; Madapura, et al,
1989; Qiu, et al, 1990; Qiu, et al, 1991; Emmert, et
al, 1992; Tang, et al, 1993; Shamin, et al, 1995; Hong
and Emmert, 1995; Rej, et al, 1997; Zeng, et al, 1998;
Bektursunova and Demokan, 2001), se caracteriza por
una caída prácticamente exponencial en la parte
derecha del máximo que confirma el fenómeno de
movimiento de la envoltura. La duración y la dinámica
de la frontera del pulso de la corriente son consistentes
con el comportamiento del pulso de voltaje.
Figura 4. Pulsos de voltaje y corriente típicos de PSII
El voltaje aplicado al cátodo permanece constante
durante aproximadamente 7 ms, durante el tiempo
restante cae. El tiempo relativamente pequeño de
mantenimiento del voltaje en un nivel constante en
comparación con el tiempo de formación de la frontera
delantera y el tiempo de caída de pulso hace que el
flujo iónico que incide sobre el objeto (durante un
tiempo significativo no menor que 50% de la duración
del pulso) tenga un espectro significativamente no
monoenergético. Este fenómeno se confirma por la
distribución de los iones implantados dentro del
material tratado (Conrad, 1989). Esto se encuentra
en contradicción con una de las exigencias principales
para el tratamiento de calidad. Además de un espectro
energético amplio de iones se puede producir un
chisporreteo significativo de la superficie, incluso de
capas ya implantadas, lo que a su turno puede tener
como consecuencia la disminución de la dosis
realmente alcanzable.
Entre otros elementos específicos de equipos PSII vale
la pena mencionar un sistema de imanes permanentes
que se utilizan para aumentar el confinamiento de los
electrones en el volumen plásmico. Esto sin duda
requiere de una construcción compleja que aumenta
el costo del equipo.
La tecnología de implantación iónica por inmersión
(Plasma Immersion Ion Implantation, PIII) (Qin, et al,
1992; Matossian, et al, 1997; Liu, et al, 1998a) se
desarrolló con el propósito de solucionar dos
problemas del PSII. En primer lugar, el relacionado
con las dificultades de conmutación de las fuentes
generadoras del plasma inicial y del pulso acelerador
de los iones hacia la muestra (cátodo). El segundo,
minimizar el efecto de desplazamiento de la cobertura.
Para lograr estos propósitos se agrega al esquema
del PSII un tercer electrodo donde se ubica la muestra
a tratar y se alimenta con el pulso de alto voltaje que
atrae los iones hacia él, independizándolo de los
electrodos que generan el plasma inicial (Liu, et al,
1998b; Liu, et al, 1998c; Chu and Cheung, 1998;
Mandl, et al, 1998;Tang, et al, 1998). Esta
modificación solucionó el problema de la
alimentación, pero no el del desplazamiento de la
envoltura, ya que la técnica PIII sigue presentando los
mismos inconvenientes que la PSII (Lieberman and
Lichtenberg, 1994; Tian, et al, 1999; Berni, et al, 2000;
Husein, et al, 2000).
En resumen, se pueden enumerar como principales
desventajas de las técnicas PSII y PIII fundamentadas
en las descargas de alto voltaje con envoltura móvil:
- los ángulos de incidencia de los iones sobre la
superficie de un objeto pueden ser diferentes del
25
normal que conduce a la no-homogeneidad de
tratamiento del objeto,
- el espectro energético de los iones no es
controlable y no es monoenergético.
Una solución al problema de control del espectro
energético de los iones y de garantía de la calidad del
proceso se obtendría al conservar la idea del
tratamiento por flujos iónicos desde la frontera
plásmica de la capa catódica (la idea de PSII) pero
con la capa catódica de la descarga de alto voltaje
inmóvil y de grosor pequeño. La solución a este
problema fue hallada por Kvesyuk y Tsygankov
mediante el desarrollo de una nueva tecnología
denominada Implantación Iónica Tridimensional 3DII
(Khvesyuk and Tsygankov, 1997). El método 3DII se
fundamenta en la descarga de alto voltaje y baja
presión que se enciende en la rama izquierda de la
curva de Paschen. Los pioneros en el estudio de este
tipo descarga fueron Klarfeld y Pokrovskaya-Soboleva
(Pokrovskaya-Soboleva and Klarfeld, 1957). El
conocimiento moderno sobre los procesos físicos que
tienen lugar en descargas en la rama izquierda de la
curva de Paschen es discutido por McClure (McClure,
1961). Las propiedades específicas de este tipo de
descarga son las siguientes:
- la descarga se enciende y se mantiene bajo la
diferencia de potencial entre los electrodos en el
rango desde decenas hasta centenas kiloelectrón-voltios,
- la descarga es auto sostenida es decir no necesita
de un plasma de soporte,
- el voltaje de mantenimiento de la descarga
coincide con el voltaje de encendido,
- la descarga tiene estructura estacionaria durante
todo el periodo después de su formación (periodo
de mantenimiento de la descarga) con una capa
catódica de grosor pequeño donde cae
prácticamente todo el voltaje aplicado. Esta capa
adquiere la forma del cátodo (un objeto metálico).
Inicialmente estas descargas se utilizaron como
conmutadores en equipos que necesitan transmisión
de grandes corrientes (hasta 1x104 A) a altos voltajes
26
(hasta 1x105 V). Sin embargo son más conocidas sus
aplicaciones como base de fuentes de electrones de
alta energía. La tecnología 3DII aprovecha las
propiedades específicas de la descarga en la rama
izquierda de la curva de Paschen con el propósito de
implantar iones en metales, semiconductores y
cerámicas. El primer estudio de la descarga y los
primeros experimentos sobre implantación de iones
realizados por el método 3DII demostraron una ventaja
significativa de esta tecnología frente a la tecnología
PSII (Khvesyuk and Tsygankov, 1997). El parámetro
más importante a tener en cuenta en las tecnologías
de implantación es el grado de monoenergicidad de
iones. En la figura 5 se dan los perfiles de distribución
de iones de nitrógeno por profundidad en un blanco
de Silicio obtenidos por ambos métodos. Al observar
dichos perfiles se puede concluir que la distribución
obtenida en el equipo 3DII corresponde mejor a las
exigencias de la tecnología de implantación de iones.
Figura 5. Perfiles Auger de implantación de N2+ en silicio
para 3DII (arriba) y PSII (abajo)
En la actualidad solo existe un equipo construido en
concordancia con la tecnología 3DII, este es el JÚPITER
del Laboratorio de Física del Plasma y Corrosión de la
Universidad Industrial de Santander. A pesar de que el
JÚPITER esta basado en el equipo antecesor de
laboratorio 3DII (que ya no existe) difiere
significativamente de su prototipo, especialmente en
la parte electrónica y parámetros del generador de
alto voltaje. Además por su productividad (velocidad
de aumento de dosis) y sus dimensiones es un equipo
que se puede considerar como semi-industrial.
El dispositivo JUPITER que se fundamenta en las descargas
pulsadas de alto voltaje a bajas presiones, posee los
parámetros de pulso: duración hasta 2,5x10 -3 s,
frecuencia de repetición hasta 60 Hz y voltaje hasta
6x104 V. Con los anteriores parámetros se garantiza
la implantación de iones cuasi monoenergéticos con
un ángulo de incidencia normal a la superficie de los
materiales a tratar; además se consiguen altas dosis
de átomos implantados en cortos tiempos de
tratamiento, dichas dosis son suficientes para mejorar
propiedades tribológicas de aceros al carbón tales
como: aumento de la resistencia a la corrosión,
disminución de la permeación de hidrógeno, etc.
A partir de los resultados experimentales obtenidos y
la experiencia de manejo se puede afirmar que el
equipo JUPITER por su productividad,
monoenergecidad de iones, ángulo de incidencia,
simplicidad en manejo, servicio de los sistemas del
equipo, y seguridad, es más eficiente que los equipos
existentes y reportados hasta la fecha (Dougar, et al,
2002). Este equipo se puede utilizar para el
mejoramiento de piezas que funcionan en condiciones
severas; por ejemplo sierras que cortan madera sin
enfriamiento, etc.
En la figura 6 se presenta un esquema comparativo
donde se puede observar el desarrollo de las técnicas
de implantación: se inicia con la implantación por
haces iónicos (IBI), que requieren montajes complejos
y sistemas de ultra alto vacío (UHV). Se pasa por las
técnicas tradicionales de implantación con base en la
tecnología de los plasmas (PSII y PIII), que trabajan en
un régimen de bajo vacío (LV) y que utilizan una
combinación de fuentes DC o RF, para generar un
plasma previo, y fuentes pulsadas de alto voltaje (HVP)
con pulsos de muy corta duración (del orden de ms),
para atraer los iones hacia las superficies a tratar.
Finalmente se llega a la tecnología de Implantación
Iónica Tridimensional (3DII), que trabaja en un régimen
de alto vacío (HV) y que utiliza descargas pulsadas de
alto voltaje (HVP) con pulsos rectangulares de duración
hasta 2,5 ms, los cuales realizan simultáneamente
las dos funciones requeridas para una implantación
iónica eficiente, es decir generan un plasma de alta
densidad y atraen los iones hacia la superficie de las
muestras que funcionan como cátodo, sin que se
presente movilidad de la capa catódica.
Figura 6. Evolución de las técnicas de implantación iónica.
CONCLUSIONES
El desarrollo de las técnicas de implantación iónica se
ha dado fundamentalmente por dos razones; la
primera, la necesidad de producir materiales
semiconductores; la segunda, la búsqueda de técnicas
de tratamiento superficial de materiales metálicos. En
esta última han sido importantes los aportes de la
tecnología del plasma.
27
La implantación iónica tridimensional (Three
Dimentional Ion Implantation 3DII) permite adecuar,
sin mayores costos, sistemas de implantación
tradicionales aumentando significativamente la
capacidad de funcionamiento de los equipos.
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30
DISEÑO Y MONTAJE DE UNA PÁGINA WAP QUE
IMPLEMENTE EL ACCESO A LA INFORMACIÓN ACADÉMICA
DE LA UNIVERSIDAD FRANCISCO DE PAULA SANTANDER
Director Ing. Dinael Guevara Ibarra
Coinvestigadores
Byron Medina Delgado
Luis Leonardo Camargo Ariza
[email protected]
Dirección WAP
http://wap.ufps.edu.co/wap/menu.wml
Grupo de Investigación y Desarrollo
en Telecomunicaciones GIDT
1. RESUMEN
WAP es la sigla del protocolo para aplicaciones
inalámbricas (Wireless Application Protocol) y es el
medio de transporte de las comunicaciones entre los
dispositivos sin cable y servidores.
La Universidad Francisco de Paula Santander contará
a partir del segundo semestre de 2003 con un portal
WAP que permitirá a los estudiantes e interesados,
consultar la información de la institución utilizando los
beneficios de un equipo de comunicaciones móviles
(celular).
En este artículo se describen brevemente las bases
teóricas que fueron objeto de estudio para la
realización del proyecto de la página WAP de la
institución como lo es el estándar WAP, las capas del
protocolo WAP, los componentes y el modelo de
operación de un sistema WAP, y el lenguaje de
programación para desarrollar aplicaciones WAP;
además, se exponen los parámetros que se tuvieron
en cuenta para la selección de la información que se
desea mostrar en el portal y las herramientas utilizadas
en la elaboración y montaje de la página de Internet
Móvil de la Universidad Francisco de Paula Santander.
El desarrollo de esta tecnología móvil ha permitido
crear dispositivos electrónicos de bolsillo que conectan
al usuario con la Internet; dichos dispositivos son cada
vez más pequeños, más potentes y, a medida que
aumenta la demanda, más baratos y asequibles.
Estos dispositivos tienen la característica principal de
movilidad que los hace interesantes y que los ha
popularizado recientemente, entendiéndose por
movilidad la capacidad de acceder a la información y
los servicios en cualquier momento y desde cualquier
lugar. Estas dos variables, tiempo y localización, fueron
sin duda fundamentales para la implantación del
servicio de Internet Móvil de la universidad.
El desarrollo de este proyecto comenzó por la
disponibilidad y accesibilidad del estándar WAP, y su
objetivo principal es la elaboración del portal en
Internet Móvil de la Universidad Francisco de Paula
Santander.
El portal WAP de la universidad ofrece información
general como la visión, la misión y el símbolo de la
institución entre otros, información académica como
los planes de estudios que se ofrecen en la actualidad,
información acerca de los medios de comunicación
con los que cuenta la universidad e información
detallada para cada estudiante como el horario de
clases y materias matriculadas, logrando que cada
usuario tenga su propia aplicación.
3. PALABRAS CLAVES
WML, WMLScript, DTD, Gateway
2. INTRODUCCIÓN
4. BASES TEÓRICAS
La evolución de la Internet converge con el crecimiento
de las comunicaciones móviles a un sistema que se
ha denominado Internet Móvil. La idea de acceder a
la red desde cualquier lugar y en cualquier momento,
es hoy día una realidad.
4.1 El estándar WAP
WAP Forum (organización mundial de empresas
relacionadas con las comunicaciones) fue la que creó
el estándar WAP y es la encargada de controlar su
evolución para asegurar el máximo grado de
31
interoperabilidad entre los dispositivos de los diversos
fabricantes; por lo tanto, su principal función es la de
adaptarse a las limitaciones propias de este tipo de
informática sin cable, como la capacidad de memoria
y potencia de proceso, la duración y potencia de la
batería, el tamaño de la pantalla, el ancho de banda,
la velocidad de conexión y la capacidad de interacción
entre el usuario y la entrada de datos.
4.2 Protocolo WAP
Las especificaciones WAP definen un conjunto de
protocolos que afectan el funcionamiento de las
aplicaciones (WAE), las sesiones de conexión (WSP),
las transacciones (WTP), la seguridad (WTLS) y los
niveles de transporte (WDP) permitiendo a los
operadores, fabricantes y desarrolladores de
aplicaciones hacer frente a los requerimientos de
flexibilidad y diferenciación que exige cada vez el
mundo de las telecomunicaciones sin cable. Para
entender el modelo estructural de las capas WAP
obsérvese la Figura 1.
Entorno de Aplicaciones
Inalámbricas (WAE)
Protocolo de Sesión
Inalámbrica (WSP)
Protocolo de Transacción
Inalámbrica (WTP)
Seguridad de capa para
transf. Inalámb. (WTLS)
Datagramas (WDP)
Dispositivos de hardware
de red e inalámbrica.
Figura 1. Modelo estructural de las capas WAP
4.2.1 Entorno de Aplicaciones Móviles (WAE) Su
objetivo principal es facilitar el desarrollo de
aplicaciones diseñadas en código de programación
inalámbrico.
32
4.2.2 Protocolo de Sesiones Móviles (WSP) Es un
administrador del estado de la sesión, que permite el
envío de múltiples peticiones al servidor de forma
simultánea sin esperar la respuesta de alguna de ellas,
eliminando la necesidad de varias peticiones y
respuestas sucesivas.
4.2.3 Protocolo de Transacciones Móviles (WTP)
Tiene como función la segmentación y la
reconstrucción de paquetes; adicionalmente, es el
responsable de la confirmación de los paquetes y de
la retransmisión de paquetes perdidos, no confirmados
o corruptos.
4.2.4 Seguridad en la Capa de Transporte Móvil
(WTLS) Proporciona seguridad y protección contra
los ataques de negación de servicio y garantiza la
seguridad mediante la encriptación de todos los datos
de sesión.
4.2.5 Protocolo de Datagramas (WDP) Esta capa
hace que las aplicaciones sean independientes del
medio de transmisión proporcionando un formato de
datos consistente; es decir, el medio de conexión entre
el cliente y el servidor no influye en la transmisión de
los datos.
4.3 Componentes de un sistema WAP
A continuación se enuncian los componentes que
conforman un sistema WAP:
• Cliente: Usuario del teléfono móvil adaptado a
WAP.
• WAP Gateway: Elemento encargado de adecuar
los contenidos de Internet al entorno móvil.
• Web Server: Elemento que aloja el contenido de
la página WAP.
4.4 Modelo de operación WAP
La ruta de petición y devolución de datos en la
plataforma WAP se realiza de la siguiente manera
(véase la Figura 2):
• Petición de una URL a través del celular.
• El dispositivo móvil envía una URL a un WAP
Gateway mediante el protocolo WAP.
• El WAP Gateway convierte la URL en formato HTTP
que es enviada al servidor Web.
• La petición HTTP es procesada por el servidor Web.
Puede tratarse de una petición estática o dinámica.
• El servidor Web devuelve una página WML con la
cabecera HTTP.
• El Gateway WAP recibe la página, y tras su
verificación la convierte en formato binario que será
enviado al móvil.
• El móvil recibe la respuesta en formato WAP.
Figura 2. Ruta de petición y devolución de datos en la
plataforma WAP
4.5 Lenguaje de Programación de WAP
WAP utiliza la especificación denominada WML
(Wireless Markup Language), lenguaje de
programación basado en etiquetas que se usa para
describir la estructura de los documentos que se
distribuirán a través de los dispositivos inalámbricos.
WML se diseñó para ser ejecutado en diferentes
dispositivos, por lo que asume muy pocas
características de los terminales móviles de los
diferentes fabricantes donde se ejecutará la aplicación.
WML utiliza elementos y atributos para indicarle al
explorador cómo debe tratar el contenido; además,
se requiere que el documento esté bien formado
sintácticamente y validado gramáticamente por un DTD
(Definición del Tipo de Documento).
Para crear aplicaciones interactivas se utiliza el
complemento de WML, llamado WMLScript, que es
un lenguaje de procedimientos orientado a objetos
para la creación de scripts que permite realizar
validación de datos y otros procesos del cliente.
5. RECOPILACIÓN DE LA INFORMACIÓN
DE LA PÁGINA WAP DE LA UFPS
En el proceso de recopilación de la información de la
Universidad Francisco de Paula Santander, se tomó
como punto de referencia la página Web de la
institución, porque es de fácil acceso y en ella se
concentra y clasifica la información de la universidad,
por lo que fue necesario visitar, comprender, analizar
y cuestionar en su totalidad el sitio Web.
La elaboración de aplicaciones WAP exige pensar en
la Web de una forma distinta; por tal motivo, el portal
WAP de la universidad no puede ser una réplica de su
página Web, ya que el usuario no dispone de una
pantalla de 14 pulgadas como mínimo y de un módem
de 56 Kbps. Hay que partir de dispositivos con
capacidades limitadas: una velocidad de transferencia
máxima de 9600 baudios y una memoria inferior a
1400 bytes.
La información que se ofrece en la página WAP de la
universidad es breve, concisa y con un alto grado de
utilidad; estas características, fueron patrones
importantes en el proceso de selección y depuración
del contenido de la Web, asegurando un sitio sencillo
y agradable al usuario, porque una aplicación que
ofrezca una gran cantidad de contenido puede llegar
a cansar a los clientes que han de desplazarse
constantemente por menús y pantallas para encontrar
la información de interés.
Teniendo en cuenta los patrones mencionados, la
información institucional se recolectó y seleccionó
dependiendo del tipo de usuario al que se dirige la
aplicación WAP. Por lo tanto, el contenido se divide
en información general, información para las personas
que desean acceder a los servicios de extensión y la
información para uso exclusivo de los alumnos.
33
6. SOFTWARE UTILIZADO EN EL DISEÑO
DE LA PÁGINA WAP
Para el desarrollo de aplicaciones de Internet móvil se
requiere de un Servidor Web (local o en la Internet),
un WAP Gateway (alojado en el PC o en el operador
de red), un dispositivo móvil con dirección IP o un
emulador instalado en el PC y un editor, un compilador
y un depurador de código WML; estas herramientas
se deben configurar para que puedan trabajar
interconectadas. Otra solución, es usar los kits de
desarrollo de aplicaciones WAP que integran todas
las herramientas de trabajo en una sola interfaz de
programación, lo que evita que el desarrollador realice
cambios en el servidor cada vez que se requiere
modificar el contenido de la aplicación, permitiendo
verificar el resultado de los cambios de forma
inmediata en el emulador del teléfono, sin necesidad
de una conexión a Internet.
Las herramientas utilizadas en el desarrollo del portal
WAP de la universidad fueron los kits de desarrollo de
las empresas Nokia, Ericsson y Openwave, ya que
ofrecieron solución a las necesidades de edición
(distinción de colores en las etiquetas, atributos y
comentarios, y facilidad al insertar etiquetas desde la
barra de tareas entre otras), herramientas de
depuración y compilación (validar los documentos
WML con los DTD’s y su compilación a código WBXML
(código binario XML inalámbrico) especificando su
tamaño en bytes que será descargado en el terminal)
y utensilios de simulación (características reales de los
microexploradores de terminales móviles de las citadas
empresas). Véase Figura 3.
7. IMPLEMENTACIÓN DE LA PÁGINA WAP
Para la implementación de la página WAP de la
universidad se instaló el servidor Apache CGI bajo
Linux Red Hat 9 y se configuró para entregar tipos de
contenidos WML; ésto se logra adicionándole al
archivo de configuración del servidor sus propios tipos
MIME (Multipurpose Internet Mail Extension) para
reconocer el contenido WAP.
El servidor se encuentra en las instalaciones de la UFPS
y es administrado por el Grupo de Investigación y
Desarrollo en Telecomunicaciones “GIDT”. La
dirección del portal WAP de la universidad es:
wap.ufps.edu.co/wap/menu.wml .
Las aplicaciones dinámicas y la conexión remota con
la base de datos del centro de cómputo de la
universidad se realizó con programas en código java
y utilizando el driver de Oracle.
Para realizar una petición a la base de datos de la
universidad, se debe establecer una consulta SQL al
servidor base de datos (Solaris 8i Oracle), lo que se
logra a través del driver jdbc classes111.zip, sin tener
un manejador de base de datos en el servidor local.
Para ilustrar el proceso anterior se presenta la Figura 4.
Figura 4. Ruta de petición y devolución de datos en la
aplicación WAP de la UFPS
8. RESULTADOS
Figura 3. Terminales móviles de algunas empresas de teléfonos.
34
El listado de la información de la Universidad Francisco
de Paula Santander a mostrar en el Portal WAP de la
institución.
La estructura de presentación de la información de la
Página WAP, que determina la corriente de navegación
dentro de la aplicación.
Se determinó el uso de los kits de desarrollo WAP de
las empresas Nokia, Ericsson y Openwave; como
herramientas óptimas para la creación, simulación y
depuración del código WML y WMLScript.
El código fuente de la Página WAP de la UFPS en el
lenguaje WML, el cuál es interpretado por el dispositivo
móvil del usuario para ser visualizado en la pantalla
del dispositivo.
El código de programación en WMLScript de la Página
WAP de la UFPS, que permite la validación de los
datos introducidos por el alumno en el terminal del
mismo.
La instalación y configuración del Servidor Web para
recibir y entregar los contenidos WAP desarrollados
en la aplicación.
Los programas en lenguaje Java instalados en el
Servidor Web, que permiten la interacción de este
servidor con el sistema base de datos de la UFPS.
La conexión al sistema base de datos de la universidad
por parte de la comunidad en general para conocer
las asignaturas de los diferentes programas
académicos ofrecidos por la institución, haciendo uso
de un terminal móvil.
La conexión al sistema base de datos de la universidad
por parte del alumno para consultar información de
carácter personal como el horario de clases y las
asignaturas matriculadas; a través, del teléfono celular.
El manual del usuario de la Página WAP de la
Universidad Francisco de Paula Santander.
El documento final donde se presenta el desarrollo
del proyecto “Diseño y montaje de la página WAP
que implementa el acceso a la información académica
de la Universidad Francisco de Paula Santander”.
9. CONCLUSIONES
El protocolo WAP permite a la comunidad y al alumno
de la Universidad Francisco de Paula Santander realizar
consultas de información personal e institucional en
la base de datos de la universidad, utilizando un
teléfono móvil celular con el servicio de Internet activo.
Este servicio es suministrado por un operador de
telefonía móvil celular (COMCEL, BELLSOUTH Y
AVANTEL).
El alumno o usuario que desee acceder a la
información de la universidad debe poseer un teléfono
móvil celular con micronavegador, y estar suscrito al
servicio WAP ofrecido por alguna de las empresas
mencionadas anteriormente, o en su defecto tener una
conexión física a un proveedor de Internet y utilizar un
emulador sobre un PC.
En la selección de la información que se deseaba
suministrar en el portal WAP de la universidad se tuvo
en cuenta que el contenido debía ser breve y objetivo
para alcanzar una aplicación útil y atractiva a los
usuarios.
WML es básicamente un lenguaje que permite crear
entornos de entrada y visualización de datos.
WML no tiene soporte para determinar el ancho del
párrafo utilizando una etiqueta, por lo que fue
necesario utilizar saltos de línea para garantizar que
los renglones de texto no superaran los 15 caracteres,
haciendo que el texto sea interpretado de forma útil y
coherente por los diferentes dispositivos, debido a que
los teléfonos tradicionales poseen una pantalla que
puede visualizar como máximo 15 caracteres por línea.
La página WAP de la Universidad Francisco de Paula
Santander en funcionamiento.
35
En la creación del código WML se tuvo en cuenta que
los atributos básicos de las etiquetas no debían ser
obviados, ya que los microexploradores asignan
diferentes valores por defecto a algunos atributos,
ocasionando que un mismo código se interprete de
manera distinta dependiendo del microexplorador del
terminal.
En la elaboración del código WML no se incluyeron
etiquetas y atributos que no formaran parte de la
especificaciones oficiales de WML establecidas por el
WAP Forum por no ser interpretadas por todos los
microexploradores.
Para la correcta interpretación de los caracteres
especiales como símbolos, números y tildes por parte
de los microexploradores, se reemplazaron según la
norma ISO-10646, que es como se conocen los
caracteres UNICODE dentro del mundo informático.
Es importante que un portal WAP disponga de ayudas
que orienten al usuario en la navegación y faciliten la
interpretación del contenido que se expone en el portal.
No se hizo uso en la aplicación de imágenes de gran
tamaño, de gráficas a color ni de animaciones, por
que no se visualizaban correctamente en los teléfonos
celulares tradicionales.
El tiempo de espera del usuario al hacer una petición
es menor al navegar entre cartas de una misma baraja
que al navegar entre cartas de diferentes barajas.
Las barajas del código WML deben contener cartas
que estén relacionadas en la corriente de navegación
dentro del portal, para que el usuario navegue por
estas cartas haciendo uso de la memoria del terminal,
evitando depender de una constante conexión a
Internet.
No se utilizaron traductores de código HTML a código
WML para el desarrollo de la aplicación WAP, porque
el resultado de esta conversión generaba un código
WML que no cumplía con las características de
presentación deseadas .
36
El contenido de la página WAP de la U.F.P.S. no podía
ser una réplica del contenido de la página Web de la
misma, debido a las limitaciones propias de los
dispositivos móviles como la velocidad de transferencia
de los datos, la escasa cantidad de memoria RAM
con que cuenta el terminal para almacenar el código
WML que se descarga al realizar una petición WAP, el
tamaño de la pantalla donde se visualiza la aplicación
y la interfaz (teclado) restringida para el ingreso de los
datos por parte del usuario entre otras.
El uso de los kits de desarrollo facilitó la elaboración
de la página WAP, ya que este tipo de software
incorpora todas las herramientas requeridas para la
construcción de aplicaciones de Internet Móvil en un
mismo ambiente.
El kit de desarrollo Mobile Internet Toolkit 3.1 de Nokia
ofreció la interfaz más agradable para la edición,
compilación y depuración del código WML.
La simulación del código WML se debe realizar
utilizando los emuladores de las diferentes empresas
proveedoras de teléfonos móviles, en especial Nokia,
Ericsson y teléfonos con microexploradores de
Openwave; para evaluar la presentación del código
fuente en los dispositivos celulares con diferentes
característica técnicas.
Para calcular el tamaño de bytes de las barajas se
tuvo en cuenta el tamaño en bytes del código
compilado de la baraja y los datos referentes a la
navegación; bytes que se almacenan en la caché del
dispositivo móvil.
El tamaño en bytes de las barajas del portal de Internet
Móvil de la universidad no superó los estándares
mínimos de memoria de los terminales WAP (1.4
Kbytes) dado por el WAP Forum, con el objetivo que
la aplicación se descargue satisfactoriamente en todos
los dispositivos del mercado, sin provocar el
desbordamiento de la memoria.
Para el ingreso de datos por parte del usuario en el
portal WAP de la universidad se usó el método de
selección de información en los casos que fue posible,
evitando que el cliente ingrese los datos haciendo uso
del teclado limitado con que cuentan los dispositivos
móviles.
El uso de programas en el lenguaje WMLScript permite
crear aplicaciones de Internet Móvil que involucren
manipulación de datos y cálculos básicos sin la
necesidad de invocar constantemente al servidor.
Los programas realizados en WMLScript permitieron
validar los datos del cliente en el dispositivo móvil,
descongestionando los procesos en el servidor al evitar
la ejecución de una aplicación cuyos campos de las
variables de entrada son incorrectos.
El uso del lenguaje Java, permitió crear una aplicación
de código portable, que puede ser ejecutada bajo
cualquier sistema operativo seleccionado para la
implementación del servidor.
Para realizar una consulta a un sistema base de datos
es necesario instalar la aplicación en el servidor base
de datos, o realizar una conexión remota entre el
servidor de la aplicación y el servidor base de datos.
Para obtener una aplicación constantemente
actualizada, se tiene que realizar la consulta de la
información directamente a la base de datos del Centro
de Cómputo de la Universidad Francisco de Paula
Santander.
El uso de la clase classes111.zip de Java fue
indispensable para realizar la conexión remota al
sistema base de datos Oracle 8i del Centro de
Cómputo de la universidad; y realizar las consultas
SQL sin requerir de un motor de base de datos
instalado en el servidor.
Se realizaron pruebas accediendo a todas las secciones
del Portal WAP de la Universidad Francisco de Paula
Santander utilizando un teléfono móvil celular con
servicio de Internet y a través de diferentes emuladores
desde el computador; verificándose el correcto
funcionamiento de la aplicación.
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37
ANÁLISIS DE LA VULNERABILIDAD SÍSMICA DE LOS EDIFICIOS
FUNDADORES Y AULAS SUR DE LA U.F.P.S.
Jorge Fernando Márquez Peñaranda
Profesor Departamento de Construcciones Civiles,
Vías y Transporte
[email protected]
Universidad Francisco de Paula Santander
RESUMEN
La ciudad de San José de Cúcuta se halla ubicada en
una zona de alto riesgo sísmico sobre la confluencia
de sistemas de fallas activas importantes tales como el
Frontal de la Cordillera Oriental y el de Boconó. Según
las Normas Colombianas de Diseño y Construcción
Sismo Resistente (NSR-98) esta ciudad se halla
emplazada en la región 7 y debe considerarse un
coeficiente de aceleración pico efectiva Aa=0.3. La
Universidad Francisco de Paula Santander (U.F.P.S.),
ente público oficial con cuarenta y un años de servicio
a la comunidad, consciente de esta amenaza ha
iniciado la evaluación de la vulnerabilidad sísmica de
sus edificaciones, dos de las cuales constituyen el objeto
de este trabajo. Se trata de los edificios AULAS SUR y
FUNDADORES, inmuebles de aulas que representan
la mayor oferta y demanda de uso en comparación
con las demás edificaciones de la U.F.P.S., para los
cuales se ha recavado toda la información existente
relacionada con características geométricas y
mecánicas de su estructura y se ha desarrollado un
análisis elástico en concordancia con los lineamientos
de las NSR-98. El primero de ellos está soportado por
pórticos tridimensionales de concreto reforzado y fue
construido dentro de la vigencia del decreto 1400 de
1984 en tanto que el segundo está constituido por
muros de mampostería confinada y tiene más de treinta
años de servicio. Como resultado de este análisis se
ha identificado la vulnerabilidad con relación a la
resistencia y rigidez de la estructura y cada uno de sus
elementos llegando finalmente a proponer las
modificaciones a implantar en la configuración original
para mejorar y dar suficiencia a estas dos importantes
características.
38
INTRODUCCIÓN
Los edificios Aulas Sur y Fundadores ubicados en la
sede principal de la U.F.P.S. representan la mayor oferta
de aulas para docencia. El primero se diseñó y
construyó hace unos diez años usando pórticos de
concreto reforzado y placas aligeradas armadas en
dos direcciones con lineamientos adecuados dictados
por los requisitos del entonces vigente Código
Colombiano de Construcciones Sismo-Resistentes
(CCCSR) y del buen juicio profesional amparado a la
luz del estado del arte en esa época. Puede decirse
que posee una ductilidad adecuada representada en
el detallado del refuerzo de sus elementos pero a la
luz de los requisitos actuales de las Normas SismoResistentes presenta una alta flexibilidad lo que en el
evento de un sismo intenso se traduciría en grandes
deformaciones permanentes y pánico de los
ocupantes. Por otra parte el principal problema que
hoy se deduce siguiendo esas Normas es que la
estructura carece de resistencia para atender dicho
sismo sin colapsar.
El segundo edificio mencionado es el más antiguo y
fue diseñado y construido hace unos treinta años. Su
estructura está hecha de muros de ladrillo macizo de
arcilla cocida confinados levemente por machones
(columnas) de concreto reforzado distribuidos en toda
el área y tiene cuatro cortinas (muros) del mismo
material que son insuficientes ante las exigencias de
las Normas actuales. Las placas de entrepiso están
armadas en una sola dirección y fundidas en concreto
reforzado y su cimentación es de concreto ciclópeo
coronado con vigas. Ofrece una pobre ductilidad,
aunque evidentemente su rigidez es alta. Esto implica
que aunque en un sismo intenso puede inicialmente
responder con bajos desplazamientos, no será capaz
de disipar la energía que le demandan los ciclos
histeréticos posteriores y colapsará de manera frágil.
Además aunque su rigidez sea alta experimentará en
ese sismo derivas superiores al 0.5% lo que implica
que el muro colapse aún bajo carga cuasi-estática.
El edificio Fundadores se estudió como un sistema de
mampostería confinada, que es el sistema estructural
más próximo en configuración y filosofía al existente,
sin descuidar la reducción de la flexibilidad actual.
Por lo anterior el principal objeto de este trabajo es
proponer refuerzos para mejorar la resistencia y reducir
la flexibilidad de los edificios hasta un nivel similar al
exigido por las Normas Colombianas de Diseño y
Construcción Sismo Resistente (NSR-98). Así mismo
como la vulnerabilidad de una edificación es inherente
a sí misma y a la amenaza que le solicita, el análisis
efectuado aquí se restringe a lo establecido por las
NSR-98 para la ciudad de Cúcuta.
1.DESCRIPCIÓN GENERAL DEL PROYECTO
La sede principal de la Universidad Francisco de Paula
Santander (U.F.P.S.) está ubicada en el barrio Colsag
de la ciudad de Cúcuta, en la intersección de las
avenidas Gran Colombia y 12E y dentro de ella está
construidos los edificios Aulas Sur y Fundadores. El
primero fue diseñado y construido entre los años 1986
y 1995 desarrollándose en dos etapas
convenientemente aisladas por medio de una junta
estructural de 15 cm y su uso original y actual es el de
aulas de clase. Su sistema estructural lo constituyen
pórticos ortogonales de concreto reforzado, placas
aligeradas de 45 cm de espesor armadas en dos
direcciones con viguetas de 10 y 11 cm cada 85 y 95
cm (eje centroidal) y losa superior de 5 cm, en tanto
que la cubierta es de machimbre revestido con teja de
barro. La cimentación la conforman zapatas
amarradas con vigas y la altura libre de cada piso es
de 3.00 m con espacios separados por muros de
mampostería de arcilla que fueron construidos después
de la estructura. El edificio cuenta con cuatro pisos
que contienen aulas, algunas oficinas y baterías de
baños en los tres primeros pisos. Sus áreas construida
2
2
y de lote son de 4251 m y 1120 m .
El edificio Fundadores está ubicado a unos metros al
norte del edificio Aulas Sur fue diseñado y construido
entre los años 1970 y 1972 y su uso original y actual
es el de aulas de clase. Su sistema estructural lo
constituyen muros de carga construidos en ladrillo
macizo de arcilla cocida en su mayoría de 0.25m de
espesor y ligeramente confinados por machones de
concreto de 0.15mX0.25m (ancho menor que el del
muro) de sección reforzados con seis barras de 10
mm (3/8”). Posee también cuatro cortinas de concreto
reforzado ubicadas hacia la periferia cimentadas en
zapatas rectangulares. La cimentación de los muros
de mampostería es de concreto ciclópeo coronado
con vigas de concreto reforzadas en su mayoría con
seis barras de 12.7 mm (½”). Los entrepisos poseen
dos tipos de placas: fundidas en el sitio y prefabricadas.
Las placas fundidas poseen 0.40m de espesor, se
hallan armadas en una sola dirección, siguiendo la
menor longitud, aligeradas con bloques de concreto
y tienen viguetas de 0.10m, 0.14m y 0.15m de ancho
pero no poseen losa superior que garantice su acción
de diafragma. Las placas prefabricas están constituidas
por vigas T de 0.45m de altura con 1.20m de ancho
de aleta y poseen soldadura del refuerzo transversal
entre elementos que le permiten desarrollar su acción
de diafragma en el sentido este-oeste. Sin embargo
en el sentido norte-sur no existen conexiones en sus
apoyos que garanticen esta acción. El edificio cuenta
con cuatro pisos que contienen aulas, oficinas de
profesores y baterías de baños. Su área construida es
2
de 3689 m .
Este proyecto se desarrolló entre los meses de abril de
2002 y mayo de 2003 y fue financiado por el Fondo
de Investigaciones Universitarias (FINU) de la U.F.P.S.
2. PROCEDIMIENTO Y RESULTADOS
Este proyecto se enmarcó en lo establecido por la Ley
400 de 1997 y los decretos 33 de 1998, 34 de 1999
y 2809 de 2000 contenidos en las Normas
Colombianas de Diseño y Construcción Sismo
Resistente (NSR-98). La figura 1 presenta el diagrama
de flujo correspondiente.
39
ANALÍSIS DE VULNERABILIDAD SÍSMICA
¯
Recopilación y verificación de la información
¯
¯
Estado de la estructura Evaluación de solicitaciones
¯
¯
Determinación
®
Análisis
de Resistencia Efectiva
estructural elástico
¯
¯
Cálculo de índices de sobreesfuerzo y flexibilidad
¯
Indices de vulnerabilidad
¯
DISEÑO DE SOLUCIONES
®
¯
Elaboración de planos e informe final
Figura 1. Diagrama de flujo de procedimiento
A continuación se describe cada etapa del proceso.
2.1.RECOPILACIÓN Y VERIFICACIÓN DE LA
INFORMACIÓN.
Se buscaron planos arquitectónicos y estructurales para
establecer la configuración original del edificio y se
revisaron planos de infraestructura (sanitarios,
hidráulicos, eléctricos y de telefonía) para identificar
posibles puntos débiles debido al cruce de tuberías
grandes o de cajas y ductos a través de elementos
estructurales principales. Además se buscaron
memorias de cálculos estructurales, estudios de suelos,
ensayos de materiales en el proceso de construcción,
actas de obra y testimonios de las personas que
participaron en el diseño, construcción y
mantenimiento de la edificación. Se revisaron en el
sitio las dimensiones actuales y reales de los elementos
estructurales y no estructurales, así como el tipo de
acabados y de otros elementos que generarían cargas
adicionales no contempladas en el diseño original.
Con esto se estableció el grado de concordancia entre
los planos originales y el producto actual definiendo
planos reales de trabajo basados en las medidas y
observaciones tomadas. Por otra parte se realizó una
40
inspección visual para identificar anomalías tales como
grietas, asentamientos, exposición del refuerzo,
deformaciones excesivas y respuesta ante eventos
importantes ocurridos con lo que se calificó la calidad
del diseño y la construcción original y del estado de
mantenimiento y conservación de la estructura.
Para el edificio Aulas Sur se encontraron 29 planos
arquitectónicos digitalizados, 23 planos de
infraestructura y 12 planos estructurales en papel. Se
observó que no existen sobrecargas de
almacenamiento de agua pues posee sistema
hidroneumático, pero se encontraron diferencias
menores en algunos elementos estructurales tales como
las columnas de la fachada norte. Sólo existen
memorias de cálculo de la etapa 1 y el estudio de
suelos (Gómez, et al,1999) indica que el suelo
encontrado es granular con un ángulo de fricción
interna que oscila entre 31º y 37º y peso unitario
promedio de 20 KN/m3. Usando los factores generales
para el modelo de Terzaghi (Rico and Del
Castillo,1978) se encontró que la capacidad admisible
del suelo se halla entre 340 y 400 KN/m2 para zapatas
con ancho entre 1.00 m y 3.50 m cimentadas a una
profundidad de 2.00 m y con un factor de seguridad
de 2.50. Sin embargo, para cargas sísmicas, las NSR98 (Asociación Colombiana de Ingeniería Sísmica, AIS
1998) permiten usar un factor de seguridad de 2.00
(ver H.4.1.7) y un sobreesfuerzo de 33% (ver B.2.3.4)
con lo que la capacidad portante puede llegar a 610
2
KN/m . Las especificaciones originales de este edificio
se resumen a continuación:
Concreto de zapatas y vigas de amarre: f‘c=21 MPa
Concreto de pedestales y columnas:
f‘c=28 MPa
Concreto de vigas, viguetas y losas:
f‘c=24.5 MPa
Acero de refuerzo para f£9.5 mm (3/8”): fy=240 MPa
Acero de refuerzo para f³12.7 mm (1/2”): fy=420 MPa
El estado de conservación del edificio Aulas Sur es
bueno. La zona inferior de cada placa presenta fisuras
menores la mayoría de menos de 0.5 mm y ninguna
mayor que 1 mm de ancho medidas de forma
aproximada durante uso normal del piso. Su
apariencia indica deflexión aceptable en las zonas
centrales y la orientación entre fisuras de diferente
dirección es aproximadamente ortogonal. En los muros
solo se encontraron grietas importantes en los extremos
del tercer piso sobre la fachada norte de la etapa I
(ejes 5 y 9), específicamente en la unión con la etapa
II y en la línea que divide la batería de baños y las
escaleras. La columna 9D del primer piso tiene una
grieta diagonal en su pata que atraviesa la sección lo
que sugiere falla del concreto por tensión diagonal.
El estado de la zona de junta estructural (ejes 4´ de la
etapa II y 5 de la etapa I) indica que se ha movido un
bloque con respecto a otro. Allí se observan grietas y
la superficie del piso adyacente se ha arrugado
aparentemente por la ausencia de juntas elásticas en
el mismo. En ninguna parte se encontró el refuerzo
expuesto y la apariencia de las superficies de concreto
de los elementos estructurales no da señales de
deterioro de ningún tipo.
El edificio Fundadores posee 20 planos arquitectónicos
digitalizados y 15 planos estructurales originales
dibujados con lápiz sobre papel mantequilla. Las
principales diferencias encontradas acusan adición de
muros en la zona suroriental, remoción de muros y
eliminación de voladizo en la zona noroccidental, la
estructura de cubierta originalmente diseñada en
cerchas se construyó en placa aligerada y no se usó
postensado para la viga canal. No se encontraron
planos de infraestructura ni memorias de cálculo y el
estudio de suelos usado fue el referido en el párrafo
anterior. El edificio de interés se halla adyacente al
auditorio Eustorgio Colmenares Batista separado por
una junta de 2 cm. Los ladrillos usados provinieron
de los Tejares Pescadero y San Luis propios de la zona,
el concreto se solicitó a Preconcretos y las
especificaciones originales son:
Concreto de todos los elementos: f‘c=21 MPa
2
Capacidad portante del suelo:
qa=150 KN/m
Acero de refuerzo para f£3/8”:
Paz del Río, fy=240 MPa
Acero de refuerzo para f³1/2”:
Heliacero (16),
fy=420 MPa
En general el estado de conservación del edificio
Fundadores es bueno. Los muros no presentan grietas
ni abombamientos. Sólo existen grietas en la torta
inferior de las placas bajo las zonas donde
originalmente se dejaron ductos para aire
acondicionado, las cuales deben fijarse de forma
segura o eliminarse. Las escaleras presentan fisuras
pequeñas debidas a un trabajo normal de flexión.
Existe un abombamiento del acabado de piso en la
zona exterior adyacente al edificio en el extremo suroriental que no parece involucrar asentamientos ni
movimientos del suelo de soporte; más bien parece
deberse a la presión ejercida por las raíces de árboles
cercanos. En ninguna parte se encontró el refuerzo
expuesto y la apariencia de las superficies de los
elementos estructurales no da señales de deterioro de
ningún tipo.
2.2. EVALUACIÓN DE SOLICITACIONES.
De acuerdo con lo definido en el numeral anterior y
cumpliendo con las NSR-98 se calcularon las cargas
gravitacionales según el título B y la amenaza sísmica
usando el título A. Las cargas sísmicas se determinaron
usando tanto el método de la fuerza horizontal
equivalente como el análisis dinámico para efectos
de comparación y selección de casos de diseño.
2.2.1. Cargas gravitacionales. Para los dos edificios
2
se usó una carga viva igual a L=2 KN/m sobre todas
2
las losas y a L=0.35 KN/m sobre la cubierta en
machimbre y teja.
Debido a que realmente el edificio Aulas Sur está
separado en dos bloques (llamados etapas I y II) por
la junta estructural citada, el análisis consideró dos
estructuras independientes y verificó que no existiera
riesgo de impacto entre ellos, para lo cual se usó la
resta de derivas de cada parte. Esto último es válido
ya que la cimentación de las dos etapas está
completamente amarrada y se espera que la onda
sísmica en la base afecte a la cimentación como un
solo cuerpo.
41
Los valores totales Dt de carga muerta usados para
2
2
las etapas I y II fueron 11.3 KN/m y 12 KNt/m los
cuales incluían el peso de todos los elementos del piso.
Sin embargo el valor neto D, sin peso propio de vigas
y considerando que algunos muros descargan sobre
2
2
ejes de vigas, fue en cada caso 6.1 KN/m y 4.8 t/m .
El peso total de la edificación resultó ser de 33720
KN y 12260 KN para las etapas I y II respectivamente.
La alta densidad de muros y su apoyo directo sobre
las vigas en la etapa II son la causa de las diferencias
observadas en el valor D de cada etapa.
El peso actual del edificio Fundadores es de 34930
KN y si se implementan las soluciones propuestas
llegará a pesar 40430 KN. Las cargas muertas
calculadas según el tipo de elemento para este edificio
son:
Machimbre y teja:
D = 1.40 KN/m
2
Placas macizas e=0.15m:
D = 4.76 KN/m
2
Placas aligeradas e=0.30m:
D = 7.75 KN/m
2
Placas aligeradas e=0.40m:
D = 5.67 KN/m
2
Prefabricados salones:
D = 2.54 KN/m
2
Escaleras:
D = 6.89 KN/m
2
2.2.2. Amenaza sísmica. Para involucrar la amenaza
sísmica en el análisis estructural se usaron dos métodos:
a) El método de la fuerza horizontal equivalente y b)
Análisis dinámico. La solicitación por torsión en el
piso se determinó siguiendo el numeral A.3.6.7 de las
NSR-98 (Asociación Colombiana de Ingeniería
Sísmica, AIS 1998). En particular la torsión accidental
se calculó desplazando el centro de masa en cada
dirección y ambos sentidos según excentricidades en
direcciones este-oeste y norte-sur de 2.10m y 1.00m
para el edificio Aulas Sur. Para el edificio Fundadores
las excentricidades usadas fueron 2.55m y 1.50m
respectivamente.
Los parámetros que describen la amenaza y su relación
con la respuesta estructural para cada edificio se
muestran en la tabla 1.
42
PARÁMETRO
AULAS SUR
FUNDADORES
Región:
7
7
Zona de amenaza sísmica: Alta
Alta
Coeficiente de aceleración
pico efectiva:
Aa=0.30
Aa=0.30
Grupo de uso:
II
II
Coeficiente de importancia: I=1.1
I=1.1
Perfil de suelo:
S2
S2
Coeficiente de sitio:
S=1.2
S=1.2
Tipo de demanda:
DES
DMO
Coeficiente de
amortiguamiento crítico:
5%
5%
Coeficiente básico de
disipación de energía:
Ro=7.0
Ro=1.5
Tipo de irregularidad
en planta:
2P
3P
Coeficiente por irregularidad
en planta:
fp=0.9
fp=0.9
Tipo de Irregularidad
en altura:
No presenta No presenta
Coeficiente disipación
de energía (diseño):
R=6.0
R=1.35
TABLA 1. Parámetros de amenaza y respuesta sísmica.
Debe aclararse que el valor de R utilizado en el edificio
Aulas Sur se limitó a 6.0 para considerar no sólo la
posible irregularidad sino además para ser consistentes
con su valor de diseño original según el CCCSR.
La altura total se fijó en h=13.58 m y h=12.85m
para los edificios Aulas Sur y Fundadores
respectivamente.
Al usar el método de la fuerza horizontal equivalente,
el edificio Aulas Sur se estudió considerando la
influencia de los muros diafragma por medio de dos
modelos que incluían y despreciaban la presencia de
los puntales suministrados por dichos muros. La
primera opción involucró un período de vibración
aproximado Ta=0.46s y un coeficiente de aceleración
espectral Sa=0.825, en tanto que la segunda dichos
valores fueron 0.57s y Sa=0.70.
Las diagonales de mampostería se modelaron según
la configuración propuesta por Buonopane
(Buonopane and White, 1999) con las limitaciones
impuestas por las NSR-98 (Asociación Colombiana
de Ingeniería Sísmica, AIS 1998) en su capítulo D.11.
Sin embargo este sistema se descartó una vez obtenidos
los índices de sobreesfuerzo y de flexibilidad, ya que
por la alta esbeltez de cada diagonal se presentaría
una muy rápida falla por compresión. Además en
cuanto a las derivas la reducción no fue importante.
Para dar una idea de la baja eficiencia de esta
configuración puede compararse la fuerza promedio
solicitante del puntal de un muro típico (622 KN) con
la capacidad efectiva del mismo (37 KN).
Las fuerzas horizontales equivalentes y los momentos
de torsión accidental se muestran en las tablas 2 y 3.
PISO
W(KN)
H(m)
W*h^k
Cvx
Fx (KN)
±Mx
±My
Cubierta 2520
13.58
43200
16%
3790
3790
7960
Piso 4
9220
10.13 114930
43%
10090 10090 21190
Piso 3
9220
6.68
72960
27%
6400
6400 13450
Piso 2
10500
3.23
37660
14%
3310
3930
6940
Piso 1
2260
0
0
0%
0
0
0
TOTAL
33720
268760 100%
2359
Tabla 2. Fuerzas equivalentes para la etapa I (estado original
Aulas Sur).
PISO
rehabilitada en comparación con la original. Estos
aumentos equivalen al 6% para las fuerzas y momentos
torsores de la etapa 1 y a un 10% para la etapa 2.
Por otra parte la geometría de los muros de refuerzo
en forma de L obligó a desarrollar el análisis estructural
incluyendo un giro en ellos alrededor de su eje
determinado precisamente por el ángulo del eje de
radio de giro mínimo. En el caso de los muros de alas
iguales (3.20m y 2.50m) ese ángulo fue de 45º en
tanto que para los muros de 2.50X1.25 fue de 14.27º.
Los parámetros de entrada para el análisis dinámico
del edificio Aulas Sur quedaron definidos por un
espectro de diseño (para cada dirección) dado en la
expresión {2} y por la distribución de masas que se
presenta en la tabla 4, donde la masa rotacional es
mz=J*m/A siendo A el área y m la masa del piso.
Para
Para
Para
Para
PISO
0£T£0.3s
0.3s£T£0.58s
0.58s<T£2.88s
T>2.88s
MASA (kg)
Þ
Þ
Þ
Þ
Sa=0.33+1.65*T
Sa=0.825
Sa=0.475/T
{2}
Sa=0.165
AREA (m2)
my
A (m2)
J (m4)
MASA
ROTACIONAL
mz (Kg-m2)
Cubierta 26000
26000
772.80
131096
4355000
mx
M. POLAR
W(KN)
H(m)
W*h^k
Cvx
Fx (KN)
±Mx
±My
Cubierta 1410
13.58
24080
23%
2030
2250
1360
Piso 4
94000
94000
767.85
130026
15919000
Piso 4
3190
10.13
39650
39%
3350
3370
2080
Piso 3
94000
94000
767.85
130026
15907000
Piso 3
3290
6.68
26050
26%
2200
2440
1360
Piso 2
107000 107000
885.30
154808
18715000
Piso 2
3330
3.23
11950
12%
1010
1190
630
Piso 1
1040
0
0
0%
0
0
0
TOTAL
12260
101730 100%
859
Tabla 3. Fuerzas equivalentes para la etapa II (estado original
Aulas Sur).
Después de reforzada la estructura del edificio Aulas
Sur el período calculado según la expresión A.4-1 de
las NSR-98 (fórmula de Rayleigh) resulta ser Tr=0.72
s, que aun es mayor que T=1.2*Ta=0.68 s. Sin
embargo se presenta un aumento de masas debidas
a esos refuerzos, que hace que las fuerzas sísmicas
aumenten proporcionalmente en la estructura
Tabla 4. Valores de masa de piso según cada eje para la etapa 1.
Según el análisis dinámico de los 12 modos de
vibración sólo los dos primeros (traslación) activan
cerca del 90% de la masa y sus períodos en el estado
actual del edificio resultan ser de 1.39s y 1.06s. Una
vez reforzado el edificio éstos caen a 0.50s y 0.46s
produciendo un aumento en el coeficiente de
aceleración espectral en el edificio Aulas Sur.
El edificio Fundadores se analizó originalmente con
un período Ta=0.34s y un coeficiente Sa=0.825 lo
que generó un cortante basal Vs=28820KN, el cual
43
debido al incremento de masa por los refuerzos
requeridos podría ascender a 33430 KN. La tabla 5
presenta las fuerzas y momentos de torsión sísmicos
para este edificio.
PISO
W(KN)
Cubierta 3460
H(m) W*H^K
Cvx
Fx (KN) ±Mx
±My
12,85 44460
21%
6140 5830 13810
Piso 4
6980
9,75 68060
33%
9400 14090 23960
Piso 3
9820
6,50 63830
31%
8810 13220 22470
Piso 2
9970
3,25 32400
16%
4470 6710 11410
Piso 1
4700
0,00
0%
TOTAL
34930 32,35 208750 100%
0
0
0
0
28820 39850 71650
Tabla 5. Fuerzas sísmicas equivalentes (estado original
Fundadores).
Para el edificio Fundadores, al usar cargas horizontales,
los muros se consideraron no trabados entre sí por lo
que todas las secciones rectas resultaron rectangulares.
Con el fin de ajustar las medidas arquitectónicas en el
ámbito estructural y con base en mediciones hechas a
ladrillos retirados en remodelaciones, se modularon
las longitudes horizontales de los muros como múltiplos
de una unidad básica de 0.26X0.13X0.08 en junta
perdida. Por otra parte el análisis dinámico usó el
espectro de diseño dado por la expresión {2} y la
distribución de masas que aparece en la tabla 6.
PISO
AREA (m2) M. POLAR
MASA (kg)
MASA
ROTACIONAL
J (m4)
mz (t-s2-m)
mx
mY
A (m2)
Cubierta
35000
35000
654
640010
34251000
Piso 4
88000
88000
942
1081055
100990000
Piso 3
117000
117000
970
1064355
128381000
Piso 2
119000
119000
948
1057437
132737000
fuerza horizontal equivalente (FHE). El cortante basal
calculado usando análisis dinámico resultó ser sólo
del orden del 40% y 68% para los edificios Aulas Sur
y Fundadores respectivamente del dado por el método
de la FHE. Así mismo todas las fuerzas internas y
desplazamientos conservan una proporción similar. Sin
embargo, tal como lo establece el capítulo A.5 de las
NSR-98 (Asociación Colombiana de Ingeniería
Sísmica, AIS 1998) la proporción entre los resultados
de los dos análisis no puede ser menor que 100%
para edificios regulares (Fundadores y Aulas Sur etapa
II) y que 80% para la etapa 2 (edificio regular), por lo
cual se optó por usar el método FHE para diseño.
2.2.3.Combinaciones de carga. Se usaron 3
combinaciones para carga gravitacional sola
(1.4*D+1.7*L) considerando la posibilidad de que
existan áreas en uso y áreas desocupadas
simultáneamente solicitadas con cargas vivas L1 y L2
tipo tablero de ajedrez tal como se muestra en la figura
2. Además se usaron otras 24 combinaciones que
incluyeron cargas gravitacionales actuando
simultáneamente con cargas sísmicas, las cuales
involucraron los momentos torsionales de piso y los
posibles efectos ortogonales por la aleatoriedad en la
dirección del sismo. En general éstas últimas tenían
la forma:
0.75CV ± EX ± 0.3EY
o
0.75CV ± 0.3EX ± EY
siendo CV el efecto producido por la carga
gravitacional mayorada o la carga muerta reducida y
EX o EY el efecto producido por la fuerza sísmica y sus
excentricidades accidentales en cada dirección
ortogonal.
Tabla 6. Valores de masa de piso del edificio Fundadores en el
estado final.
Los períodos obtenidos para el edificio Fundadores
en los modos 3 y 6 (ambos en traslación) fueron 0.63s
y 0.58s, los cuales activan un 83% de la masa total.
En este trabajo el análisis dinámico se usó como
soporte para revisión de resultados del análisis usando
44
Figura 2. Esquema en planta de aplicación de cargas vivas L1 y
L2 (Aulas Sur).
En cada análisis dinámico se usó el Método de la
Combinación Cuadrática Completa (CQC) para
considerar la interacción modal y verificar su grado
de correlación.
2.3. DETERMINACIÓN DE LA RESISTENCIA EFECTIVA.
Para el edificio Aulas Sur la resistencia existente se
evaluó de forma teórica con base en la resistencia
especificada originalmente, en los resultados del
control de calidad de materiales durante la
construcción y en la geometría y refuerzos consignados
en los planos. Para el edificio Fundadores se
efectuaron ensayos de compresión a algunas muestras
de ladrillo y mortero extraídas de los muros del edificio
cuyos resultados se presentan en la tabla 6. La
resistencia efectiva se calculó según lo consignado en
el capítulo A.10 de las NSR-98 (Asociación
Colombiana de Ingeniería Sísmica, AIS 1998)
considerando una buena calidad original de diseño y
construcción y un buen estado actual de conservación,
es decir se calculó según la expresión {2}:
{2}
donde
fc = factor de reducción por calidad original = 0.9
fe = factor de reducción por estado de conservación = 0.9
Nex = Resistencia existente según el efecto
Nef = Resistencia efectiva según el efecto
MUESTRA
LADRILLO
F´cu (MPa)
MORTERO
f´cp (MPa)
1
23.27
16.94
2
23.46
23.20
3
16.48
14.64
PROMEDIO
21.07
18.26
COEFICIENTE
DE VARIACIÓN
19%
24%
TABLA 6. Resistencia existente de materiales del edificio Fundadores
2.4. ANÁLISIS DE LA ESTRUCTURA.
Se desarrolló un análisis elástico usando el programa
SAP2000 versión 6.11. Para el edificio Aulas Sur se
resolvió un sistema de pórticos tridimensionales unidos
por placas que se consideran como diafragmas rígidos
ante cargas en su propio plano. La veracidad de esta
hipótesis se verificó siguiendo el numeral A.3.6.7.2.
de las NSR-98 (Asociación Colombiana de Ingeniería
Sísmica, AIS 1998). Las placas de entrepiso se
modelaron como mallas de viguetas y carga puntual
en cada nudo soportadas en apoyos articulados sobre
las vigas (no transmiten torsión sobre estas últimas).
Para el edificio Fundadores se usaron elementos tipo
columna (frame) aislados en el estado original (por la
ausencia de diafragma rígido) y con carga sísmica
según área aferente, en tanto que en el estado final
(reforzado) éstos elementos se unieron con diafragma
rígido. Las cargas sísmicas con sus respectivos
momentos de torsión se aplicaron en cada centro de
masa, lo cual se modeló desplazando ese punto una
distancia igual a la excentricidad en cada dirección y
en ambos sentidos.
2.5. DETERMINACIÓN DE ÍNDICES DE
FLEXIBILIDAD, ÍNDICES DE SOBREESFUERZO Y
VULNERABILIDAD ASOCIADA.
Siguiendo el capítulo A.10 de las NSR-98 los índices
de sobreesfuerzo y de flexibilidad se calculan como el
cociente entre los valores de fuerzas internas y
desplazamientos y los valores máximos permitidos para
cada magnitud (resistencias efectivas y derivas). Esos
índices pueden ser individuales (de cada elemento o
piso) o generales (de toda la estructura) según su objeto
de análisis. Con los primeros es posible formular una
secuencia de falla de la edificación con base en la
línea de menor resistencia. Por otra parte el inverso
de los índices generales de toda la edificación
representa la vulnerabilidad de la misma como una
fracción de la resistencia o de la rigidez que tendría
una edificación nueva construida de acuerdo a las
NSR-98.
45
Para el edificio Aulas Sur en su estado actual se esperan
derivas entre 3% y 5.5% en sentido este-oeste y entre
1.5% y 3.6% para el sentido norte-sur, lo que indica
una mayor rigidez según la dirección de mayor inercia
de las columnas. Como este edificio fue diseñado y
construido siguiendo el CCCSR (Código Colombiano
de Construcciones Sismo Resistentes,1984) las NSR98 (Asociación Colombiana de Ingeniería Sísmica, AIS
1998) permiten que la deriva alcance 1.5% valor que
es mayor que el calculado. Por lo anterior fue
necesario aumentar la rigidez en ambas direcciones
adicionando “eles” de concreto reforzado en la
periferia de las dos etapas del edificio tal como se
muestra en la figura 3. En todos los casos el cociente
entre la deriva en un extremo de eje y la deriva
promedio estuvo entre el rango de 0.80 a 1.20 por lo
que se concluyó que el edificio no presenta
irregularidad torsional. Al adicionar los refuerzos
mencionados las derivas resultaron dentro de un rango
entre 0.34% y 1.36% equivalentes a índices de
flexibilidad de 0.34 y 1.36 menores que el máximo
permitido. En la revisión de posible impacto entre
edificios la mínima distancia al moverse los mismos
ante un sismo resultó entre 13.1 cm y 14.8cm que
son valores menores a la junta existente de 15 cm. En
general, en su estado actual, la etapa II es más rígida
que la etapa I.
Además de los índices de flexibilidad horizontal se
evaluaron aquellos propios de las cargas verticales,
los índices de flexibilidad vertical.. Para ellos la
deflexión obtenida para carga permanente se
multiplicó por un factor l que toma en cuenta las
deflexiones adicionales a largo plazo debidas a
retracción de fraguado y flujo plástico en cada sección
de viga calculado según {3}:
{3}
donde x es el coeficiente de efectos a largo plazo
tomado igual a 2.0 en este trabajo (para 5 años o
más) y r´ es la cuantía del refuerzo a compresión.
Debe anotarse que la estructura analizada tiene cerca
46
de 10 años de edad por lo que puede considerarse
que este factor no es necesario. Sin embargo el
tomarlo en cuenta es conservativo; aún así el índice
de flexibilidad vertical osciló entre 0.014 y 0.981 con
lo que se concluyó que la estructura posee una buena
rigidez vertical.
El edificio Fundadores en su estado actual puede
alcanzar derivas de 1% en sentido este-oeste y 0.82%
en sentido norte-sur, mayores que la máxima permitida
(Asociación Colombiana de Ingeniería Sísmica, AIS
1998) de 0.5%. Además es conveniente recordar que
por encima de 0.25% un muro de mampostería tiene
agrietamientos severos que imponen una gran
demanda de ductilidad y reducen su resistencia. Este
edificio tampoco presenta irregularidad torsional pues
sus cocientes de derivas oscilan entre 0.96 y1.04 y los
índices de flexibilidad vertical resultaron entre 0.401 y
0.949 (menores que la unidad).
Para dar mayor rigidez y resistencia a este edificio fue
necesario modelar cambios de varios muros de
mampostería por muros de concreto reforzado, reforzar
las cortinas existentes y cortar algunos muros largos
existentes para modificar su responsabilidad. Una vez
efectuadas estas modificaciones las derivas se
redujeron a un rango de 0.11% hasta 0.46%
correspondientes a índices de flexibilidad horizontal
de 0.29 hasta 0.92 (menores que la unidad).
Las NSR-98 (Asociación Colombiana de Ingeniería
Sísmica, AIS 1998) definen el índice de sobreesfuerzo
como el cociente entre las solicitaciones equivalentes
y la resistencia efectiva de cada sección, donde las
primeras deben evaluarse no sólo usando los
resultados de un análisis elástico lineal sino que
además deben considerar el desempeño real que es
capaz de lograr cada parte de la estructura
considerando su construcción real y no únicamente su
rigidez relativa. Así por ejemplo los cortantes de diseño
de columnas y vigas serán los mayores valores de los
obtenidos en el análisis estructural o en la
consideración del elemento aislado soportando los
momentos probables en cada extremo y su carga
aferente. En general la determinación de las fuerzas
de diseño estuvo siempre ceñida a los valores más
desfavorables de los resultantes del análisis, de los
prescritos en el capítulo C.21 de las NSR-98 o de los
recomendados por diversas investigaciones tales como
las reportadas en las referencias 32 y 34.
Para las vigas del edificio Aulas Sur los efectos
analizados fueron flexión y cortante, pues al verificar
la torsión ésta resultó muy pequeña (torsión
secundaria). Así mismo la fuerza axial no superó en
ningún instante un valor de 5% de la resistencia bruta
a compresión del concreto de la sección. Para las
vigas de Fundadores se analizó además el efecto de
carga axial producido por la reacción a puntales de
muro sobre las esquinas de los elementos de
confinamiento.
La mayoría de vigas se hallaban originalmente
subreforzadas (sin aporte del acero de compresión)
especialmente en la etapa 1 del edificio Aulas Sur y
en el edificio Fundadores. Los momentos flectores de
diseño usados para calcular los índices de
sobreesfuerzo en el estado original corresponden a
los mayores valores (mínimos negativos o máximos
positivos) obtenidos del análisis estructural. Sin
embargo para el estado final se modificaron los valores
obtenidos del análisis usando una redistribución de
momentos en todo caso menor que 25%.
En la etapa I de Aulas Sur, las vigas presentaban una
muy baja longitud de anclaje para momento positivo
en el apoyo lo que explica la alta vulnerabilidad de
las mismas que se observa en la tabla 7. Además se
encontró que las mismas se hallan solicitadas por
encima de su capacidad en estado original, lo que
indica que talvez se usó redistribución de momentos
en el diseño original. En el caso de las solicitaciones
equivalentes de cortante dominó el criterio por
desempeño real, es decir en todos los casos el cortante
calculado usando los momentos probables Mpr
(capítulo C.21 de NSR-98) resultó mayor que el
obtenido en el análisis elástico.
En la etapa II de Aulas Sur las vigas presentan muy
buena capacidad ante flexión pero insuficiente
resistencia ante el cortante.
EFECTO
Elemento
Flexión(-)
Flexión(+)
Flexión(CL)
Corte
Flexo-Comp
Axial
Vigas
0.65 a 1.92
0.30 a 39
0 a 1.63
0.37 a 2.24
NA
NA
Columnas
NA
NA
NA
0.40 a 2.23
1.00 a 6.50
NA
AULAS SUR
Nudos
NA
NA
NA
1.00 a 2.57
NA
NA
Rcolumna/Rviga
0.25 a 4.12
0.25 a 4.12
NA
NA
NA
NA
Vigas Cimentación
1.45 a 4.15
1.45 a 4.15
NA
0.26 a 1.08
NA
0.22 a 0.51
Zapatas
NA
0.28 a 1.18
NA
0.27 a 2.07
NA
NA
FUNDADORES
Vigas Confinamiento NA
NA
NA
1.6 a 3.0
NA
0.9 a 1.93
Columnas Confinam NA
NA
NA
1.24 a 3.65
NA
0.36 a 1.96
Muros Mampostería
NA
NA
NA
0.43 a 8.20
2.69 a 30.29
NA
Puntales de Muro
NA
NA
NA
NA
NA
0.06 a 1.09
Cortinas Concreto
NA
NA
NA
0.04 a 2.44
0.64 a 2.20
NA
Cimentación
NA
NA
NA
0.57 a 1.78
NA
NA
Tabla 7. Resumen de índices de sobreesfuerzo en el estado original (actual)
47
En la tabla 7 el término Rcolumna/Rviga se refiere a
la relación de resistencias a flexión de columnas y
vigas que llegan a un nudo la cual permite verificar
que se garantice el mecanismo de columna fuerte y
viga débil. Cabe aclarar que los rangos expuestos en
esa tabla sólo muestran el mínimo y máximo valor
pero no su distribución estadística, por lo que no
pueden calcularse promedios de ella.
En cada análisis se revisó la estabilidad lateral de la
estructura y los consiguientes efectos P-Delta
calculando el índice de estabilidad Q según lo
establecido en las NSR-98 (Asociación Colombiana
de Ingeniería Sísmica, AIS 1998), resultando siempre
Q<0.10 por lo que se concluyó que el edificio Aulas
Sur es estable y los efectos P-Delta no son importantes
(todos los factores de pandeo global dg=1.00). En
cuanto a los efectos locales de esbeltez se encontró
en todos los casos que no es necesario considerar el
posible arrugamiento local (dl=1.00).
Para evaluar la resistencia efectiva de cada sección
de columna del Edificio Aulas Sur ante la flexocompresión se usó el programa PCACOL considerando
en cada caso las solicitaciones biaxiales de las 27
combinaciones de diseño y escogiendo los menores
valores de momento resistente en un eje fijando en el
otro eje el momento sobre el contorno de falla. Una
vez hecho esto se calculó el índice de sobreesfuerzo
en cada dirección y se escogió el mayor como
representativo de la sección. En el caso de los muros
de mampostería del edificio Fundadores se usó el
mismo programa pero solicitado con flexión uniaxial.
La vulnerabilidad de cada elemento se calculó como
el inverso de su mayor índice de sobreesfuerzo sin
discriminar el efecto. La cronología de falla de la
estructura en su estado original se resume en la tabla
8 ordenada de arriba hacia abajo, lo que indica que
los elementos de la parte superior de la tabla fallarán
primero que los de la parte inferior. El porcentaje que
aparece en la tabla 8 indica la resistencia de que
realmente dispone el elemento comparada con la que
se le solicita. Los valores más bajos del edificio Aulas
Sur son debidos a la falta de capacidad de momento
positivo en los extremos de las vigas ocasionada por
falta de anclaje y a insuficiente resistencia de algunas
columnas. En el caso del edificio Fundadores al
combinar los efectos más desfavorables sobre la
estructura fallarán primero los muros en modos de
flexión y cortante produciendo inicialmente grietas en
la pata y juntas o diagonales del muro que rápidamente
degenerarán en colapso. Por todo lo anterior y debido
a los bajos índices de sobreesfuerzo ante carga axial
pura, puede decirse que el diseño original se basó en
componentes de carga vertical fuertes en combinación
con un pequeño porcentaje por sismo. Como era
práctica en ese entonces seguramente el diseñador
optó por que el 100% de la carga vertical fuese
soportada por la mampostería en tanto que a las
cortinas de concreto les asignó el sismo de diseño
equivalente al 10% del peso total de la estructura lo
que contrasta con el porcentaje actual de 82.5%.
ELEMENTOS
AULAS SUR
La mayoría de vigas de la etapa I (16% del total)
Otras vigas y columnas de ejes E´´-5 y E´´-8 (4% del total)
Otras columnas y vigas pisos superiores (25% del total)
Voladizos y columnas extremo este pisos superiores (45% del total)
FUNDADORES
Muros largos de periferia y cortina C3 (5% del total)
Otros muros centrales y cortinas C2 y C4 (16% del total)
Otros muros(12% del total)
Muros seguros (67% del total)
Tabla 8. Vulnerabilidad de la estructura original y cronología de falla
48
VULNERABILIDAD
3%
3% a 16%
18% a 30%
31% a 70%
>71%
10% a 20%
21% a 50%
51% a 99%
>100%
2.6. DISEÑO DE SOLUCIONES
Cómo quiera que los refuerzos requeridos
representaron modificaciones a la rigidez de la
estructura fue necesario desarrollar el análisis elástico
general varías veces y corregir en la misma medida
las fuerzas de diseño. La resistencia del concreto a los
veintiocho días f´c conservó los valores originales en
tanto que los muros de concreto a adicionar se
diseñaron para un concreto con f´c=21 MPa. Por
otra parte todo el acero de refuerzo nuevo (barras
longitudinales y estribos) debe tener una resistencia
de fluencia fy=420 MPa sin discriminar su diámetro.
Sin embargo para platinas y ángulos ésta
especificación es de fy=240 MPa.
El diseño de superficies de adherencia con epóxicos
se desarrolló siguiendo las instrucciones del fabricante,
por lo que se usó una resistencia al corte de 26.20
MPa y una adherencia acero-concreto de 17.90 MPa.
Para desarrollar el esfuerzo de fluencia de cualquier
barra de acero se calculó la longitud mínima necesaria
de cada anclaje que resultó del orden de seis veces el
diámetro de la barra. Sin embargo, para minimizar el
riesgo de extracción se analizó el cono probable de
falla usando las características de esfuerzo resistente
a cortante para el concreto, en cuyo caso se requiere
que la longitud de anclaje para barras con epóxico
sea nueve diámetros de barra. Aunque la unión de
superficies de concreto viejas y nuevas soporta según
el fabricante una adherencia de 30 MPa, aquí
realmente se usaron esfuerzos entre 5.3 y 6.1 MPa
siguiendo lo establecido en las NSR-98 (Asociación
Colombiana de Ingeniería Sísmica, AIS 1998).
La resistencia nominal a flexión se halló en todos los
casos usando el rectángulo de esfuerzos de Whitney
(con b=0.85) y considerando linealidad de
deformación en la sección incluso en el momento de
la falla. La deformación en la fibra máxima del
concreto o mampostería tomada fue de eu= 0.003 y
sus módulos de elasticidad se calcularon como
Ec=3900*(f´c)^0.5 y Em=750*f´m con f´c y f´m
en MPa, siendo la resistencia de la mampostería
f´m=9.8 MPa. Los momentos probables de cada
sección se calcularon usando un esfuerzo en el acero
igual a 1.25*fy y un factor de reducción de momento
nominal igual a f=1.00. En el caso de columnas se
conservó la carga axial original pero se modificaron
los factores dados anteriormente dando un contorno
de falla modificado.
La resistencia de falla a cortante se halló en cada caso
usando el modelo de puntales y considerando el aporte
del acero de refuerzo transversal y el propio del
concreto siempre que las esfuerzos debidos al sismo
estuviesen dentro de los límites establecidos en las NSR98 (Asociación Colombiana de Ingeniería Sísmica, AIS
1998)
Para las vigas y columnas del edificio Aulas Sur se
diseñaron encamisados de concreto y refuerzos
sobrepuestos con ángulos y platinas adheridas con
epóxico. En el diseño de encamisados de concreto
reforzado se tuvo en cuenta la interfase entre el
concreto viejo y el nuevo y su trabajo en conjunto no
sólo por esfuerzos de compresión sino también por la
adherencia necesaria entre esas dos superficies (flujo
de cortante). Por otra parte el diseño de platinas y
ángulos de refuerzo se basó en las áreas requeridas
por flexión o cortante y se buscó garantizar una
apropiada transferencia de fuerzas hasta cada uno de
los extremos de la viga o columna.
El diseño de nudos requirió el cálculo del área
necesaria para resistir el cortante que podría
desarrollarse por los refuerzos definitivos de las vigas
y columnas que llegan a éstos y consideró además su
grado de confinamiento. En este análisis se tomó en
cuenta la posible inversión de fuerzas que produce el
sismo.
Como los muros de concreto exigen al suelo una alta
capacidad de soporte bajo el sismo de diseño, se
espera que el cimiento pierda contacto en una parte
de su longitud de forma cíclica con lo que la analogía
49
de esfuerzos lineales de tracción y compresión deja
de ser cierta al sólo existir esfuerzos de compresión
excéntricos. Debido a esto la reacción esperada del
suelo se dedujo planteando el equilibrio de fuerzas y
momentos (impuestos contra resistentes máximos del
suelo). Así mismo dichos muros quedarán solicitados
por un bajo nivel de carga axial que oscilará entre el
2% y el 8% de la resistencia bruta de la sección en
concreto simple y el cociente entre su altura y su ancho
de base resultó de 4.23>2.00 por lo que en su diseño
primaron los efectos de flexión y cortante y se
verificaron sus extremos para evitar aplastamiento
prematuro o pandeo por esbeltez.
De los elementos no estructurales sólo se revisan los
muros debido a que las instalaciones de infraestructura
se encuentran embebidas en elementos que las adosan
de manera continua y segura y su masa es pequeña.
Los muros, en su totalidad de mampostería de arcilla
no presentan confinamiento ni uniones confiables a la
estructura por lo que fue necesario el diseño de vigas
y columnas de confinamiento así como de juntas
estructurales entre estos y el sistema principal. En
cuanto a la cimentación fue necesario diseñar algunos
encamisados en zapatas para mejorar su desempeño
ante flexión y evitar falla del suelo.
Para el edificio Fundadores se diseñaron los
recubrimientos superiores que le permitirán a las losas
su trabajo como diafragma rígido. Así mismo se
concibieron columnas de confinamiento que deben
incrustarse en los muros de mampostería, cintas
metálicas adosadas bajo las placas que le ayuden a
las vigas a resistir las cargas axiales por acción de
puntal del muro, encamisados en malla y mortero para
muros de mampostería para soportar mejor los
cortantes sísmicos y encamisados de zapatas con
pilotes para garantizar la transferencia apropiada de
las cargas al suelo.
Todo los diseños fueron consignados en ocho planos
para el edificio Aulas Sur y en seis planos para el
edificio Fundadores los cuales fueron entregados al
50
FINU, quien a su vez debe reportar estos resultados a
la oficina de planeación de la U.F.P.S.
3. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
3.1. El edificio Aulas Sur está construido en dos etapas
separadas por una junta estructural de 15 cm y
presenta actualmente una alta flexibilidad por lo que
es necesario intervenir su estructura. El aumento de
rigidez se logró en este caso adicionando cuatro muros
de concreto reforzado en las esquinas exteriores de
cada etapa (para un total de ocho) y encamisando las
columnas existentes. El índice de flexibilidad actual es
de 5.51 para la etapa 1 (que contiene los accesos) y
de 4.82 para la etapa 2 que se reducen a 1.36 y 1.02
considerando las mejoras mencionadas. Es evidente
la mayor flexibilidad del edificio en sentido este-oeste.
3.2. El edificio Aulas Sur fue diseñado usando el
Decreto 1400 de 1984 (CCCSR) por lo que al
comparar los requisitos de éste con los de las NSR98(2) parece lógico que presente esa alta flexibilidad.
En dicho decreto se permitía calcular las derivas usando
las fuerzas sísmicas divididas por el coeficiente de
disipación de energía R que luego se aumentaban
usando un coeficiente de amplificación Cd. Además
la deriva permitida en ese entonces era de 1.5%
mientras que hoy sólo se admite 1.0%. Con todo lo
anterior la proporción de desplazamientos permitidos
entre la norma vigente y el decreto citado puede oscilar
entre cuatro y cinco veces.
3.3. La principal fuente de vulnerabilidad actual de la
estructura de Aulas Sur se halla en la falta de anclaje
suficiente en las zonas de momento positivo de los
extremos de vigas. Sin embargo preocupa más la baja
resistencia de algunas columnas de los ejes ubicados
hacia la periferia del edificio tales como C5, C9, todo
el eje E´´´, y las columnas que rodean las escaleras.
3.4. La etapa 1 de Aulas Sur presenta mayor
vulnerabilidad que la etapa 2, particularmente las vigas
tendidas en sentido este-oeste (ejes B,C´, D, E´´´)
estarán altamente esforzadas en el evento de un sismo
intenso por lo que se proponen encamisados que le
permitan ganar alta resistencia y rigidez moderada.
Sin embargo en caso de ocurrir el colapso se iniciaría
en las vigas tendidas en dirección norte-sur.
3.5. Actualmente los nudos del edificio Aulas Sur no
presentan garantías para soportar la demanda máxima
que le pueden imponer las vigas que llegan a ellos.
Tampoco puede esperarse en evento de un sismo
intenso que se desarrolle el mecanismo columna fuerteviga débil.
3.6. El edificio Fundadores presenta actualmente una
flexibilidad mayor que la permitida por las NSR-98
(Asociación Colombiana de Ingeniería Sísmica, AIS
1998). Sin embargo es debido a su baja capacidad
actual de soportar el sismo de diseño por lo que es
necesario intervenirlo. El aumento de resistencia y
rigidez se logró en este caso adicionando dos muros
tubulares de concreto reforzado en su fachada norte,
reforzando las cortinas existentes en la zona sur y este,
y cambiando el material de tres ductos centrales de
mampostería y un muro largo en la zona sur-occidental
a concreto reforzado. Además fue necesario adicionar
columnas y platinas horizontales de confinamiento a
muros de mampostería así como encamisarlos con
malla y pañete. El índice de flexibilidad actual es de
2.00 y se reduce a 0.92 considerando las mejoras
mencionadas. Es evidente la mayor flexibilidad del
edificio en sentido este-oeste.
3.7. El edificio Fundadores fue diseñado y construido
a principios de la década de los años setenta,
seguramente con el criterio de asignar
responsabilidades a los elementos según su material.
Puede pensarse que los muros de mampostería se
diseñaron sólo para carga vertical, para lo cual poseen
una muy buena rigidez. Así mismo, tal como se hacía
antiguamente, las cortinas de concreto reforzado
pudieron diseñarse para soportar una fuerza horizontal
debida al sismo equivalente al 10% del peso total del
edificio en contraste con la que se asigna hoy de 82.5%
de dicho peso. Esto explica la alta vulnerabilidad actual
del edificio que reposa en la diferencia del estado del
arte de esa época y el actual.
3.8. La principal fuente de vulnerabilidad actual del
edificio Fundadores se halla en la falta de elementos
de confinamiento (columnas y vigas) capaces de resistir
la tracción que le exigen los momentos de diseño y las
fuerzas puntales de los muros. Así mismo existen muros
de mampostería muy largos (alta rigidez) y ubicados
en la periferia que absorben un gran porcentaje de la
demanda sísmica la cual no pueden soportar.
3.9. Actualmente el edificio Fundadores posee placas
armadas en una dirección que no tienen losa superior
que actúe como diafragma rígido en el evento de un
sismo. Esto hace que presente una irregularidad en
planta tipo 3P tal como la definen las NSR-98
(Asociación Colombiana de Ingeniería Sísmica, AIS
1998). Por lo anterior se propone adicionar una losa
de 5 cm de espesor sobre las tres placas de piso lo
que vuelve regular la configuración de la estructura y
permite modelar las placas como diafragmas rígidos,
mejorando a su vez la distribución de cortantes como
un solo cuerpo.
3.10. El diseño de refuerzos consideró las opciones
más económicas y eficientes desde varios puntos de
vista. Se trató de preservar la arquitectura original, de
producir el menor tiempo de cese de servicio del
edificio, y de causar el menor daño en elementos
existentes.
3.11. El suelo de sustentación está constituido por
gravas y arenas con ángulos de fricción interna
superiores a 30º y tiene suficiente resistencia para
soportar las cargas impuestas en el evento de
implementar las mejoras.
3.12. El refuerzo de estos edificios no es obligatorio
según los decretos 33 de 1998, 34 de 1999 y 2809
de 2000 (NSR-98) y la decisión de implementar o no
las mejoras propuestas obedece a la voluntad y
recursos disponibles de la U.F.P.S.
51
3.13. La solución planteada en este trabajo
corresponde a la que según criterio y medios del autor
es la más práctica y económica. Sin embargo la U.F.P.S.
puede investigar otras opciones tales como el
aislamiento de la base de cada edificio o diseñar los
refuerzos para un sismo con período de recurrencia
menor al establecido en las NSR-98 y por consiguiente
asumir un mayor riesgo.
FLANAGAN, Roger, BENNETT, Richard. Bidirectional
behavior of structural clay tile infilled frames. Journal
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FLANAGAN, Roger, BENNETT, Richard. In-plane
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