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Revista Ingenieria de Construcción

Open Access journal
ISSN (Online) 0718-5073
Published by SciELO

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Development of an computational algorith for estimating cables'tensile stress on cable-stayed bridges based on experimental laboratory and job site measurements on their natural vibration modes and frequencies
- Abstract: En la presente investigación, se propone una nueva metodología para estimar la tensión de los tirantes con base en sus modos y frecuencias naturales de vibración, mediante el desarrollo de un aplicativo computacional apoyado en el método de los elementos finitos (FEM) y en el análisis detallado de las señales. Para ello se presenta en este documento un estado del arte con algunos de los trabajos desarrollados en el mundo, un marco conceptual y la metodología planteada para su desarrollo y ejecución. El aplicativo computacional fue generado en MATLAB® y validado a través de mediciones experimentales en un prototipo a escala y en algunos cables de un puente atirantado en Colombia cuando estaba en proceso de construcción, con el cual se permite estimar la magnitud de la tensión de los tirantes con errores mínimos.In the present research, is proposed a new methodology for estimating tension forces in cables on the basis of their modes and natural frequencies of vibration, by developing a computer application leaning on the finite element method (FEM) and a detailed analysis of signals. In this paper is presented a state of the art with some of the work done around the world, a conceptual framework and a proposed methodology for its development and implementation. The computer application which was programmed in MATLAB ®, which was validated through experimental measurements on a scaled prototype and some cables of a cable stayed bridge under construction in Colombia, allows to estimate the magnitude of the cable's tension with minimal errors.
Productive use of sludge from a drinking water treatment plant for manufacturing ceramic bricks
- Abstract: Uno de los problemas más importantes en el tratamiento de agua con coagulación química es la generación de lodos, cuya disposición final es predominantemente en cuerpos de agua, afectando su calidad y usos potenciales; el uso productivo de lodos puede ayudar en la recuperación de los recursos naturales y disminuir la contaminación ambiental. En este estudio se evaluó el uso de lodo aluminoso en la fabricación de ladrillos cerámicos; los resultados muestran que es viable incorporar estos lodos en reemplazo parcial de uno de los materiales constitutivos del ladrillo, en este caso la arena en un porcentaje del 10%; sin embargo, para evitar comprometer la resistencia a la compresión debe optimizarse la deshidratación previa del lodo para aumentar el potencial de aprovechamiento. El ladrillo obtenido cumple características adecuadas para uso no estructural.One of the most important problems for water treatment systems based on chemical coagulation process is the sludge generation, whose final disposition is made predominantly onto water, affecting their quality and potential uses. The productive use of this sludges represents a way to relieve some of the problems of solid waste management that helps in the recovery of natural resources and reduces the environmental pollution. This study allowed the evaluation of the use of aluminous sludge for the manufacture of ceramic bricks. The results show that it is feasible to use these sludges in partial replacement of one of the constituent materials of brick, in this case the sand in percentages above 10%; however, to avoid compromising the compression resistance it should be optimized the previous sludge dewatering to increase the potential waste-to-energy scheme. The brick obtained has appropriate characteristics for non-structural use.
Design of concrete pavement with optimized slab geometry
- Abstract: Se ha desarrollado una nueva metodología para diseñar pavimentos de hormigón, la cual reduce el espesor de losas optimizando el tamaño de estas, dada la geometría de los ejes de los camiones. El diseño considera el apoyo sobre una base granular, tratada con cemento o asfáltica. Considera que no existe adherencia entre la base, o pavimento antiguo y la losa de hormigón. El principio fundamental del método de diseño consiste en diseñar el tamaño de la losa para que no más de un set de ruedas se encuentre en una determinada losa, minimizando así la tensión de tracción crítica en la superficie. Se han construido tramos de prueba a gran escala y probado bajo cargas aceleradas con espesores de hormigón de 8, 15 y 20 cm. todas con base granular y sobre capas asfálticas sin adherir. Las pruebas demostraron que una disminución en las dimensiones de la losa permite que siendo de bajo espesor, soporte una cantidad considerable de ejes equivalentes antes de comenzar a agrietarse. Las losas de hormigón sobre bases granulares con un espesor de 20 cm. no mostraron agrietamiento a pesar de haber sido ensayados a mas de 50 millones de EE. Losas de espesor de 15 cm mostraron grietas a los 12 millones de ejes equivalentes en promedio, mientras que las losas de 8 cm de espesor, resistió 75.000 ejes equivalentes antes de las primeras grietas. Además las pruebas realizadas demostraron que las losas de hormigón con fibra pueden soportar hasta 20 veces más tráfico antes de comenzar a agrietarse, así como proporcionar una vida útil más larga una vez agrietadas A partir de esto se ha desarrollado un software de diseño mecánico-empírico llamado OptiPave, que optimiza el diseño geométrico y el espesor de las losas de hormigón considerando las condiciones particulares de cada proyecto; ya sea clima, tráfico, capa, y materiales. Las tensiones críticas han sido calculadas utilizando el análisis de elementos finitos, para diferentes condiciones de cargas mecánicas y térmicas en diferentes posiciones. El agrietamiento de las losas se determina calculando la fatiga del hormigón y los modelos utilizados por la guía de diseño AASHTO del año 2007 y mediante calibración en secciones de prueba a gran escala. La nueva metodología diseña losas de hormigón que en promedio son 7 cm más delgadas para vías de alto tráfico en relación con el diseño tradicional de pavimentos AASHTO (1993). El método de diseño también es capaz de diseñar de manera eficiente pavimentos de hormigón para vías de menor volumen de tráfico que no son cubiertos con los actuales métodos de diseño de pavimento dando una alternativa a soluciones en asfalto.A new technology has been developed to design concrete pavements, which reduces slabs' thickness and optimizes their sizes, because of trucks axles' geometry. The design is supported by a gravel base treated with concrete or asphalt. It assumes there is no adherence between the base (existing pavement) and the concrete slab. The core principle of this design method consists of designing a slab size, so that no more than one wheel set stays on a given slab, thus minimizing the critical tensile stress on the surface. Test segments have been built on a large scale and they have been tested under accelerated loads, with concrete thickness of 8, 15 and 20 cm, all of them having a gravel base and non-adhered asphaltic layers. Tests demonstrated that a reduced-size slab, of low thickness, might bear a considerable amount of equivalent axles before cracking takes place. Concrete slabs on gravel bases with 20 cm thickness did not suffer from cracking, in spite of being tested under more than 50 millions of equivalent axles. Slabs of 15 cm thickness suffered from cracking when tested under an average of 12 millions equivalent axles, while slabs of 8 cm thickness endured 75,000 equivalent axles before the first cracking took place. Besides the executed tests demonstrated that fiber concrete slabs may endure until 20 times more traffic before cracking and they are able to provide a longer life span after cracking. Based on this fact, a mechanical-empirical software design has been developed and named OptiPave, which optimizes slab geometrical design and concrete slabs thickness by considering the particular conditions on a given project, such as weather conditions, traffic volume, layer and materials. Critical tensile stresses have been calculated by employing the finite elements analysis for different conditions of mechanical and thermal loads at different positions. Slabs' cracking is determined by calculating concrete fatigue damage and models employed by the design guide AASHTO, 2007, and by means of calibration test sections on large scale. The new methodology designs concrete slabs for high traffic volume ways, which in average are 7 cm thinner than traditional pavement design developed by AASHTO (1993). This design method is also able to effectively design concrete pavements for lower traffic volume roads, which are not considered by the existing pavement design methods, thus providing an alternative to asphalt solutions.
Advanced rheological characterization of traditional and modified bitumens currently employed in Chile
- Abstract: El objetivo de esta investigación fue obtener una caracterización reológica y clasificación avanzada para un grupo de betunes asfálticos modificados y sin modificar utilizados actualmente en Chile. Estudiando seis betunes asfálticos, provenientes de tres empresas asfalteras del medio nacional. Cada empresa aportó con un betún tradicional y un betún modificado. Los tres betunes tradicionales clasificados como CA 24 y los tres modificados clasificados como 60-80 modificados con SBS. Se realizó la caracterización reológica utilizando un reómetro de corte dinámico y un reómetro de viga en flexión, para los betunes en estado original, envejecimiento primario (RTFOT) y envejecimiento secundario (PAV). Determinando para cada uno la clasificación por grado de desempeño, ensayo de fluencia y recuperación (creep and recovery), curvas maestras y diagramas de Black. Se realizó además una completa batería de ensayos tradicionales al total de los betunes asfálticos, para los tres niveles de envejecimiento mencionados. La caracterización reológica permitió determinar las propiedades fundamentales de los betunes a temperaturas altas, temperaturas intermedias y bajas temperaturas. Estas propiedades en conjunto con una adecuada zonificación climatológica de Chile, podrían ser utilizadas para confeccionar una especificación de betunes moderna para nuestro país.También se demostró que para que los ensayos tradicionales tengan alguna utilidad, deben ser realizados para las siguientes condiciones: altas temperaturas, temperaturas intermedias, bajas temperaturas, ligante original, ligante con envejecimiento primario (RTFOT) y ligante con envejecimiento secundario (PAV). Solamente cuando se realizan ensayos para todas las condiciones anteriores, es posible encontrar información y resultados que son comparables a los de Superpave.The purpose of this research was to achieve an advanced rheoiogicai characterization and classification for a set of modified and non-modified asphaltic bitumens currently employed in Chile. Six asphaltic bitumens were employed, which are locally produced by three asphalt manufacturer companies. Each company provided a traditional bitumen and a modified bitumen. The three traditional bitumens were classified as CA 24 and, SBS-modified bitumens were classified as 60-80. Rheological characterization tests were carried out by employing a dynamic shear rheometer and a bending beam rheometer on bitumens under original condition; primary ageing (RTFOT) and secondary ageing (PAV). Consequently, performance level, creep and recovery tests, master curves and Black's diagrams were determined for each bitumens. Besides, diverse and complete traditional tests were performed to the whole set of bitumens, in accordance to the aforementioned ageing levels. The rheological characterization enabled the determination of bitumen essential properties at high temperatures, intermediate temperatures and low temperatures. These properties together with an adequate cUmatologicaHy zoning of Chile could be employed to elaborate an updated specification for bitumens in our country. It was also demonstrated that traditional tests are only useful if they are carried out under the following conditions: high temperatures, intermediate temperatures, low temperatures, original binder, primary aged binder (RTFOT) and secondary aged binder (PAV). Only by executing tests under the aforementioned conditions, it is actually possible to achieve information and results comparable to the ones provided by Superpave.
Numerical modeling of the simple concrete with finite elements by means of the plasticity theory and yielding function of Hu and Schnobrich
- Abstract: Este artículo describe la formulación, implementación y validación de un modelo constitutivo en el método de los elementos finitos, que represente el comportamiento mecánico del concreto simple sometido principalmente a compresión, considerando estado plano de esfuerzos y deformaciones infinitesimales. Este modelo se basa en la formulación general de la teoría de la plasticidad (Simó & Hughes 1998), considerando una regla de flujo no asociado, donde el potencial plástico está definido por el criterio de fallo de von Mises y la función de fluencia corresponde a aproximaciones empíricas realizadas por Hu y Schnobrich (1989). Se formuló un algoritmo implícito de integración numérica para resolver el problema no lineal dado por el modelo constitutivo del material. El modelo constitutivo presentado en este artículo se implementó en el programa de análisis no lineal con elementos finitos a código abierto HYPLAS (de Souza Neto et al. 2008) y el postproceso se realizó con el programa GiD (CIMNE 2008). Finalmente se presenta la comparación de la respuesta estructural de los paneles sometidos a fuerzas contenidas en su plano ensayados experimentalmente por Kupfer y otros (1969), contra la simulación numérica utilizando el modelo propuesto. También se presenta un ejemplo de la aplicación del modelo propuesto a la simulación de vigas sometidas a flexión.This article describes the formulation, implementation and validation of a constitutive model in the finite element method, which it represents the mechanical behavior of plain concrete subjected mainly to compression, considering the plane stress state and infinitesimal strain. This model is based on the general formulation of the theory of plasticity (Simó & Hughes 1998), considering a non-associated flow rule, where the plastic potential is defined by the failure criterion and von Mises and yield function corresponds to empirical approaches developed by Hu and Schnobrich (1989). An implicit algorithm of numerical integration was formulated to solve the nonlinear problem given by the material constitutive model. The constitutive model presented in this paper was implemented in the nonlinear analysis finite element program with open source HYPLAS (de Souza Neto et al. 2008) and the post-process was performed using GiD (CIMNE 2008). Finally we present the comparison of the structural response of panels subjected to forces contained in its plane tested experimentally by Kupfer and others (1969), against the numerical simulation using the proposed model. Also an application example of the proposed model to the beams simulation subjected to bending was presented.
An ontology-based approach for on-site integrated environmental and health and safety management
- Abstract: Este artículo tiene como objetivo favorecer la implementación de sistemas integrados de gestión ambiental, de seguridad y salud en empresas constructoras, centrándose en el subsistema de control de los impactos ambientales y los riesgos de seguridad y salud en obra. La gran compatibilidad que presentan los requerimientos vinculados al control operacional establecidos en la normas ISO 14001:2004 y OHSAS 18001:2007 así como las interacciones existentes entre impactos ambientales y riesgos de seguridad y salud (Gangolells et al., 2009, Gangolells et al., 2010) han motivado el desarrollo de una ontología que permite construir un modelo integrado para el control operacional en obras de construcción. El enfoque desarrollado está fuertemente influenciado por la metodología de Noy y McGuiness (2001) y modela los conceptos clave y las relaciones del campo de forma estructurada, extensibe, flexible, reutilizable y compartible. Este enfoque basado en ontologías ha sido implementado mediante Protégé 3.4 beta y correctamente evaluado utilizando preguntas de competencia, verificaciones internas y entrevistas de validación con expertos. Este artículo desarrolla el primer enfoque que permite representar, compartir, reutilizar y gestionar el conocimiento relacionado con el control operacional integrado en obra de las incidencias medioambientales, de seguridad y salud y sienta las bases para poder superar la mayoría de las barreras que las empresas constructoras deben afrontar durante el proceso de implementación de un sistema de gestión integrada.This paper presents an innovative approach to implementing integrated environmental and health and safety management systems in construction companies. It focuses on the sub-system for operational control of on-site environmental impacts and health and safety risks. The high compatibility between the operational control requirements that are stated in ISO 14001:2004 and OHSAS 18001:2007 and the demonstrated interactions between environmental impacts and health and safety risks (Gangolells et al., 2009, Gangolells et al., 2010) led us to develop a domain ontology to build an integrated knowledge model for operational control at construction sites. The ontology-based approach that we have developed is strongly influenced by the methodology provided by Noy and McGuiness (2001) and models the key concepts and their relations in the domain in a structured, extendable, flexible, reusable and shareable way. The ontology-based approach is implemented through Pro-tégé 3.4 beta and properly evaluated by means of competency questions, internal verifications and expert validation interviews. This paper represents the first attempt at representing, sharing, reusing and managing the knowledge related to on-site integrated operational control of environmental and health and safety incidences and lays the ground for overcoming some barriers that contractors must face when they implement an integrated management system.