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REVISTA DE ARQUITECTURA E INGENIERÍA

Diseño alternativo de cimentaciones superficiales por estado límite. Alternative design of shallow foundations by limit state. Lic. Ing. Pedro A. Hernández Delgado

Metodología para el diseño de una base de datos de modelo CAD basado en STEP. Methodology for the design of a CAD model database based in STEP. Ing. Erodis Pérez Michel Dr.C. Ricardo Lorenzo Ávila Rondón

Catálogo de los puentes proyectados por Jules Sagebien en la provincia de Matanzas. Catalogue of Jules Sagebien projected in the province of Matanzas bridges. DrC. Ing. Luis R. González Arestuche Ing. C. J. Rolo Pico Arq. Rubén A. Delgado Rodríguez

Controles preventivos del cumplimiento de especificaciones. Preventive controls for compliance with specifications. Ing. Reynaldo Sarria Hernández. DrC. Arq. Regino A. Gayoso Blanco Ing. Ernesto J. Díaz Bring.

Almacén de Datos para la Gestión Energética en el Ministerio de la Agricultura. Data Warehouse for Energy Management in the Ministry of Agriculture. MSc. Yudi Castro Blanco Ing. Eric Ismael Leonard Brizuela Dra. Yolanda Soler Pellicer

EVENTOS

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Lic. Ing. Pedro A. Hernández Delgado. Diseño alternativo de cimentaciones superficiales por estado límite.

Revista de Arquitectura e Ingeniería. 2014, Vol.8 No.3 ISSN 1990-8830 / RNPS 2125 2

For foundations there are two different approaches to the use of EL: European and American. The first, partial factors applied to reduction of soil strength parameters; and the second applies a single reduction factor to the value of the nominal strength. In this work, the American approach is developed and how it might be applied in Cuba. Keywords: Foundations, Limit state design, Structural elements

Introducción: La mecánica de suelos se conforma como teoría en la primera mitad del siglo pasado, reconociéndose como padres de ella a Terzagui en América y a Caquot Kerisel en Europa. Desde sus orígenes se caracterizó por su alto grado de empirismo y su dependencia de la experiencia local y del juicio ingenieril. El diseño de cimentaciones se basó en garantizar una presión de contacto entre el cimiento y el suelo que no superara su resistencia mecánica y al mismo tiempo se obtuviera una deformación, es decir, un asentamiento, que fuera tolerado por la estructura. Para satisfacer las condiciones anteriores se calcula una presión admisible (pad) a partir del cálculo de una resistencia teórica o empírica (pult), determinada por diferentes métodos, mediante el empleo de un único factor de seguridad (FS). Lo anterior se ilustra a continuación:

(kN/m2) (1.1)

El diseño por esfuerzos admisibles (MEA) considera las cargas de diseño (Q) reales que se aplican a una estructura o a parte de ella y las compara con las resistencias nominales de los materiales (Rn) empleando un factor de seguridad (FS):

∑ (1,2)

El FS recomendado generalmente es 3, con un rango de variación entre 2.5 y 3.5 en dependencia de las características y conocimiento del terreno. En realidad, este valor no es un factor de seguridad de la resistencia del suelo, sino que es un factor que limita el asentamiento basado en la experiencia de muchos tipos de suelos relativamente rígidos y con comportamiento lineal. (Atkinson, 2007)(1).

Esta filosofía de diseñó de las cimentaciones es similar a la empleada para los elementos de la superestructura en la época, denominada esfuerzos admisibles (EA).

El diseñó del área de las cimentaciones se realiza a partir de la relación de las cargas actuantes calculadas teóricamente (Qact) y las presiones admisibles (pad):

(m2) (1.3)

En 1926 Max Meyer enunció por primera vez los conceptos de estados límites y la seguridad por métodos probabilísticos en una tesis publicada. Aunque el concepto estaba bien expresado, no fue hasta mediados de la década del 40 que el método de los estados limites fue introducido en un código de diseño en la Unión Soviética, siendo este el primer intento de unir todos los aspectos del análisis estructural, incluyendo las especificaciones de cargas y el análisis de la seguridad.

A finales de la década del 70, fue emprendido por el Comité para la seguridad estructural (Joint Committee on Structural Safety, JCSS) el primer intento internacional de unificación de los reglamentos de los diferentes tipos de materiales. (Hormigón, acero, madera, aluminio, etc.). Este comité preparó “Los Principios Generales sobre la Confiabilidad para el Diseño Estructural (General Principles on Reliability for Structural Design)”, posteriormente empleado por la por la



Organización Internacional para las Normas (ISO) en la revisión de la ISO 2394 en el año 1998. Este documento es un código modelo para el diseño estructural y su última actualización corresponde al año 2010.

Internacionalmente, el empleo de los EL en el diseño de cimentaciones ha sido un proceso lento y en la actualidad aún no ha sido adoptado de forma general. En Europa el MEL ha tenido amplia aceptación y esta aplicado en los Eurocódigos. Son países pioneros en su empleo Dinamarca y Rusia. Australia es otro país pionero entre los países anglófonos, seguido de Canadá que en la actualidad realiza importantes investigaciones en su implementación. En los Estados Unidos, el MEL, ha comenzado a implantarse en la última década y ya es reconocido como un método alternativo por las principales instituciones que rigen las políticas de diseño, como son el UBC y la ASSHTO.

La evolución de las normativas de diseño desde el punto de vista de los análisis de confiabilidad se resume en la siguiente figura (2):

Al analizar la figura anterior se observa que el diseño por estado limite (DEL) tiene dos etapas, la primera, la del método de los factores parciales de carga (DEL-MFPC) determinados prescriptivamente y la segunda basada en métodos probabilísticos (DEL-MP). Estos últimos se han desarrollado después de la aparición de las computadoras y son los que la mayoría de los códigos de diseños líderes emplean en la actualidad. Es importante señalar que todos los códigos en la actualidad coinciden en el empleo de factores parciales para la determinación de las cargas, conocidos en Cuba como coeficientes de mayoración.

Sin embargo, para la determinación de las resistencias existen dos tendencias (3): Una, es la europea, la cual aplica factores o coeficientes de minoración a los valores nominales de las resistencias; estos coeficientes, originalmente determinados por una forma prescriptiva, en la actualidad son fijados por métodos probabilísticos. Esta tendencia predomina en Europa y es la adoptada en los Euro-códigos y la denominaremos método por factores parciales (DEL-FP). La otra tendencia es la norteamericana, en la cual los cálculos de la resistencia se realizan con los valores nominales y los resultados son afectados por factores de reducción. Este método es denominado LRFD: Diseño por factores de carga y resistencia. Más adelante profundizaremos esta diferencia respecto al suelo.

En Cuba desde inicios de la década del 70 se ha aplicado en el hormigón el diseño por el método de los estados limites (MEL), mediante el empleo de factores de mayoración para los estados de cargas y factores de minoración para la resistencia de los materiales. En el acero la norma actualmente vigente desde el año 1983 (NC 53-94.1983) aplica también el método de



los estados limites (MEL). En la década del 90 se estableció una norma para el cálculo de las combinaciones de carga única para el diseño del hormigón y del acero. En el diseño de puentes la primera norma cubana se editó en el año 1984 (NC-53-125-1984) estableciendo el valor de los coeficientes parciales para la determinación de las diferentes combinaciones de los estados de carga y remitiendo el diseño a las normas de hormigón y acero vigentes. La norma actual vigente la NC-73302009 se fundamenta en la AASHTO 2002, la cual a su vez se basa en los factores de carga establecidos en la versión de 1997. La AASHTO vigente en la actualidad se fundamente en las cargas establecidas en la versión del 2007, la cual introdujo importante cambios en los factores de carga al reconsiderar el realizar un nuevo análisis de confiabilidad.

Incitado por el desarrollo de diseño estructural, en los últimos años se ha realizado un intenso desarrollo de las metodologías de EL para la ingeniería geotécnica. Ya hay algunas normas o códigos geotécnicos basados en EL con el mismo formato que los de estructura; p.ej., Eurocódigo 7, el Manual de Ingeniería de Cimentaciones de Canadá, la AASHTO y es aplicado en países como Dinamarca, Australia, China y otros.

El diseño de cimentaciones en Cuba tradicionalmente se ha realizado por el método de los esfuerzos admisibles (EA). En la década del 80 del pasado siglo, se desarrolló por el Dr. en C. Gilberto Quevedo, el método de los estados limites (DEL) aplicado al diseño de cimentaciones superficiales y se elaboró una propuesta de norma, que aún no ha sido aprobada, a pesar de los múltiples esfuerzos realizados. Esta propuesta, para la determinación de las resistencias, se basa utilizando valores característicos y factores parciales de reducción aplicados a los parámetros nominales descriptores de los suelos, por ejemplo la cohesión (C) y el coeficiente de fricción (φ), empleando un factor adicional de seguridad.

En geotecnia el diseño de las cimentaciones por EL debe satisfacer, al menos, dos estados límites:

1. Estado límite de resistencia (DEL-R), 2. Estado límite de servicio (DEL-S).

1. Diseño para el estado límite por resistencia (DEL-R).

1.1. Enfoques de diseño.

El diseño por estado límite por resistencia (DEL-R) se fundamenta en el cumplimiento de la siguiente inecuación:

∑ , (2.1)

Donde: Ψi coeficientes de mayoración de las cargas. Qi Cargas nominales. Q* Cargas mayoradas. R*ult Resistencia última del suelo minorada.

Para el cálculo de la resistencia última del suelo minorada existen dos enfoques (4):

a) Enfoque europeo. La capacidad última del suelo, es calculada mediante el empleo de factores de reducción parciales aplicados a los parámetros resistentes del suelo:



_ _ . (2.2) Fenton (4) realiza los siguientes comentarios sobre este enfoque:

• No linealidad en el resultado: la resistencia sobre la base de los factores de resistencia parciales no es igual a la resistencia sobre la base de los parámetros del suelo no factorizados.

• No refleja el mecanismo verdadero de falla cuando depende de los cambios en las resistencias de los materiales.

• Considera solamente las incertidumbres relacionadas con los parámetros que caracterizan la resistencia explícitamente (por ejemplo, no considera el error del modelo).

• Implementada a menudo con innumerables factores parciales para considerar todas las fuentes de incertidumbre, perdiéndose el verdadero sentido del comportamiento del suelo.

Este enfoque es el adoptado en la propuesta actual de norma cubana para el diseño geotécnico por estado límite.

b) Enfoque norteamericano. La capacidad última del suelo, es calculada sin el empleo de factores de reducción de los parámetros resistentes del suelo, empleándose un sólo factor (Ф) que minora la resistencia última.

Φ (2.3)

Fenton (4) realiza los siguientes comentarios sobre este enfoque: • La resistencia se calcula con el enfoque de DEA (la mejor representación del,

verdadero mecanismo de falla). • La resistencia es factorizada una sola vez. • Es muy similar al método de DEA, al permitir a los ingenieros calcular la

resistencia trabajando con valores reales hasta el final, cuando el resultado es factorizado

• El enfoque es consistente con el código estructural, donde cada material tiene su propio factor de resistencia.

• Permite una más suave transición del DEA al DEL.

Este es el enfoque adoptado en este trabajo.

El Eurocódigo 7 es el documento de referencia para la realización del dimensionamiento de los aspectos geotécnicos de los proyectos de ingeniería civil y edificación en Europa. Con objeto de dar cabida a las diferentes maneras de abordar el dimensionamiento geotécnico existentes en los distintos países de Europa que lo han aceptado, el EC-7-2007 define tres Enfoques de Proyecto distintos que se diferencian básicamente en los parámetros a los que se aplican simultáneamente los coeficientes parciales de seguridad: acciones, materiales o resistencias, tal como se muestra simplificadamente en la tabla siguiente (5).

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Cualquier modificación de estos coeficientes implica variaciones en los niveles de confiabilidad.

1.3. Calibración por resistencia.

El proceso de determinación de los valores de los factores de carga y resistencia es denominada calibración. Para su realización la AASHTO (8) plantea cuatro maneras de realizar este proceso por:

1. Criterio ingenieril. 2. Ajustes con MEA. 3. La teoría de la confiabilidad. 4. Combinación de los métodos anteriores.

El autor ha considerado emplear el método de ajuste a partir de los coeficientes de mayoración de las cargas prescritos en las normativas vigentes y obtener un coeficiente de reducción de las resistencias a partir de la experiencia con el factor de seguridad empleado en el MEA y posterior correlación con los criterios de confiabilidad estructural. Si consideramos solamente la acción de las cargas gravitarías (G) y de uso (Q) las combinaciones de cargas aplicables según la NC 450-06 son la 1 y la 2:

1) 1.4 2) 1.2 1.6

Estas ecuaciones pueden ser escritas en forma general: Ψ Ψ , donde Ψ Ψ son los coeficientes de mayoración respectivos. Con esta consideración podemos escribir la siguiente ecuación a partir de las ecuaciones 2.1 y 2.3:

∑ (2.4) Simplificando,

(2.5)

Definamos la relación: Ω , (2.6). Despejando Ω (2.7) y sustituyendo en (2.5), obtenemos:

Ω Ψ ΩΨ (2.8)

Según el MEA la

(2.9) y sustituyendo (2.7) en (2.9) obtenemos:

Ω G 1 Ω (2.10)

Sismo

3.002.752.501.75

Valores del índice de confiabilidad β, según Ellingwood, para las cargas.

PermanenteAccidentales

Viento



Dividiendo la ecuación (2.8) por (2.10) obtenemos:

ΩG Ω

(2.11); simplificando y despejando:

Φ Ω

Ω (2.12)

La ecuación anterior establece una relación entre el factor de reducción de la resistencia (Ф), según el DEL, y el factor de seguridad (FS) de acuerdo con el DEA, el cual consideraremos como FS=3. Con el objetivo de acotar el valor de Ф estudiamos los límites de la relación obtenidas para valores de Ω tendiendo a cero y al infinito para los valores de ψG=1.2 y ψQ=1.6 para los respectivos factores de mayoración de las cargas:

lim lim ΩΩ

lim Ω

Ω . 0,533 (2.13)

lim lim ΩΩ

Ω . 0.400 (2.14)

Para la relación Ω 0.333 el valor de Ф es: Φ , . .

.0.433 (2.15)

Para estudiar mejor el comportamiento de la relación entre Ф y el FS se elaboró la tabla 1 con los valores máximos y mínimos del primero y una variación entre 2,45 y 3.1 del segundo, obteniéndose un valor mínimo de 0.39 y uno máximo de 0.65.

Analizando los resultados obtenidos se concluye que si empleamos un coeficiente de reducción Φ=0.433 para el diseño por DEL obtenemos un resultado similar al calculado por DEA, como ilustramos en el siguiente ejemplo: Sea un suelo cuya capacidad de carga última determinada por la formula de Brinch – Hansen es de 606.9 kN/m2. La carga vertical actuante en la base del cimiento se calcula mayorando las cargas para los DEL y sin mayorar para los DEA.

Ω (CU/CP)ΨD=ΨL=FS Φmin Φ Φmax

3.10 0.39 0.42 0.523.00 0.40 0.43 0.532.75 0.44 0.47 0.582.45 0.49 0.53 0.65

0.3331.21.6

Rango de variación de Φs en función de FSTabla 1



El resultado anterior nos permite conocer el grado de conservatismo del diseño propuesto por DEL respecto a los DEA.

1.4. Determinación del coeficiente de reducción Φ del suelo por ajuste con el

FS del método de los EA.

Teniendo en cuenta la experiencia de otras normativas hemos considerado conveniente determinar el coeficiente de reducción Ф como el producto de dos coeficientes:

Φ Φ Φ (2.16)

Donde: Φi: Coeficiente que considera la clase de la investigación. Φs: Coeficiente que considera la complejidad geológica. Se definen tres clases de investigaciones: a) Clase A: Comprende las investigaciones que caracterizan el suelo por medio de un

conjunto de métodos: ensayos de laboratorio, ensayos de penetración dinámica (SPT) y estática (CPT), pruebas “in situ” ensayos físicos. Es obligatorio la determinación de los parámetros deformacionales del suelo.

b) Clase B: Comprende las investigaciones que caracterizan el suelo mediante ensayos de penetración dinámica (SPT), ensayos físicos y datos de archivo.

c) Clase C: Cuando se caracteriza el suelo en base a datos de archivo y criterio ingenieril.

Internacionalmente los criterios de confiabilidad se reflejan en la mayoría de los códigos asociados a la categoría de importancia de las estructuras. En general se dividen en cuatro categorías (p. ej.: ASCE-7-10(7), ISO 2394-10(9), Propuesta NC Diseño de cimentaciones (10)). Las categorías de las ASCE-7-10 son las que fundamentan los factores de mayoración que establece esta norma en función del nivel de riesgo y son los adoptados por extrapolación en la NC-450-2006 las cuales se resumen a continuación:

Categoría del riesgo 1: Falla leve. Categoría del riesgo 2: Normal. Categoría del riesgo 3: Falla grave. Categoría del riesgo 4: Falla muy grave.

Q*= ΨP CP ΨU= CU1040 1.2 600 1.6 200 kNQ= CP CU800 1 600 1 200 kN

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Tabla comparativa entre los metodos de EL y EA para un Φ=0.433

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Estado Límite Esfuerzos Admisibles

263.0 202.3

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1.993.951.99



El tipo de investigación a emplear para cada obra se establece en la siguiente tabla en función de la categoría del riesgo:

En función de la clase de investigación se proponen los valores siguientes para el factor de Investigación (Φi):

El coeficiente de complejidad geológica del suelo (Φs) tiene en cuenta la homogeneidad del suelo. Se determina de acuerdo a la siguiente tabla:

De acuerdo con la ecuación 2.16 se confeccionó una matriz con el rango de valores posible de Φ:

De acuerdo con la tabla 1 el valor más bajo de Φ (0.42) se corresponde con un FS=3.10 y el máximo (0.53) corresponde a un FS=2.45

1.5. Comparación con otra normativas.

Como ejemplo comparativo con la tendencia internacional mostramos una tabla propuesta para el código de cimentaciones de Canadá (Fenton (4)) en la cual se puede observar como el factor de reducción Φ depende del grado del conocimiento del suelo.

Clase de investigaciónCategoría de la obra

Relación entre la clase de investigación y la categoría de la obra

Tabla 3

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A y B A

A

Factor de Investigación Φi

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Tabla 4

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0.44Clase de investigación

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Tabla 5

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Coeficiente de complejidad geológica Φs

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comprendidos en el rango de 0.45 a 0,55 dependiendo del tipo de suelo y del método para determinar su capacidad. (Este rango también coincide con el propuesto).

• qr : Resistencia nominal multiplicada por el factor de resistencia, empleada para chequear el estado limite: .

El especialista en geotecnia debe al menos proporcionar dos de los parámetros anteriores; el tercero puede ser calculado.

2. Estado límite de servicio (ELS):

En el diseño estructural los estados límites de servicio son calculados sin factorizar las cargas y las resistencias. Algunas normativas geotécnicas aplican un factor de reducción a las cargas vivas de hasta 0.4 como plantea la norma de Australia(1). En el diseño de cimentaciones debe satisfacerse que las deformaciones no superen los límites tolerables, los cuales son establecidos por criterios operacionales, durabilidad o estéticos y se especifican en las normativas de estructuras o por el usuario o el proyectista.

Respecto a la evaluación del las propiedades deformacionales del suelo, la mayor dificultad en Cuba consiste en la muy poca información de laboratorio de los parámetros que describen el comportamiento deformacional de los suelos. A lo anterior se agrega, las dificultades para la realización de ensayos de campo, tales como ensayo de penetración estática mediante el cono y pruebas de cargas, además, la obsolescencia y la inadecuación de los equipos y medios de perforación actuales introducen un nivel de incertidumbre grande en los resultados obtenidos. Internacionalmente existen dos tendencias, una es no afectar el suelo por un factor de reducción, caso que considera una exacta valoración de las propiedades deformacionales del suelo y la otra afecta el suelo por un valor que oscila en un rango entre 0.7 (Meyerhof,1982 (12)) a 0.9. De acuerdo con las consideraciones anteriores el autor propone un valor de Φd=0.9 para el segundo EL, debiéndose satisfacer las siguientes dos inecuaciones:

_ Φ Φ Φ (3.1)

_ Φ Φ Φ (3.2)

Donde,

Sabs-max: Asentamiento máximo absoluto permisible. Srel-max: Asentamiento máximo relativo o por distorsión angular. Sabs: Asentamiento absoluto promedio. Srel: Asentamiento relativo o por distorsión angular.

El rango de variación del coeficiente de reducción se expone en la siguiente tabla:

Del análisis de la tabla anterior se concluye que la variación de este coeficiente está comprendida entre 0.86 y 0.95.

3. Análisis de la confiabilidad.

Cualquier intento de aplicación de los principios de confiabilidad al suelo tiene que cumplimentar su consistencia con los criterios aplicados al diseño estructural, para lo cual

0.95 1 1.050.9 0.86 0.90 0.95

Tabla 7Rango de valores de Φ=ΦsΦd

di



deberá satisfacer iguales modelos de distribución, factores y combinaciones de cargas. Por lo anterior, es fundamental que las distribuciones estadísticas que describen las cargas y las resistencias, en nuestro caso el suelo, sean compatibles.

3.1. Modelación de las cargas y de las resistencias.

Las cargas pueden no estar representadas por la distribución lognormal; en realidad la distribución exacta que garantiza las cargas nunca es conocida exactamente. Para determinar cuál es la distribución más apropiada para la descripción de ellas emplearemos el principio de la entropía máxima, el cual establece que el modelo más real es aquel que satisface el mencionado principio a partir de las restricciones impuestas por la información obtenida, es decir la distribución que tiene el menor sesgo y por lo tanto la más exacta. Esta información es generalmente la media y la varianza. Para una distribución continua (f x ) este principio se expresa por la ecuación (Harr 1987)(13):

Donde a y b son los límites inferiores y superiores, respectivamente, de las variables. El signo menos (-) significa que la entropía es positiva. Es importante señalar que la entropía es una medida de la incertidumbre. En ingeniería geotécnica, la información acerca de la media y la varianza de una carga o resistencia están disponibles, aún cuando se desconozca su distribución exacta. Si los únicos datos conocidos de las variables son sus valores extremos, es decir, sus valores máximos y mínimos, el principio de entropía máxima establece que la distribución de mejor ajuste es la uniforme, es decir, aquella en que todos los valores dentro de un rango de valores posibles son igualmente probables (Harr 1987). Si los valores extremos de las variables son desconocidos la distribución de mejor ajuste es la normal. Tanto para el diseño estructural como para el geotécnico, los valores de las cargas y de las resistencias no pueden adoptar valores negativos, estableciéndose un límite inferior para ellos. El límite superior es generalmente desconocido y esta determinado por las cargas transitorias, por ejemplo, las sobrecargas vivas, de viento y terremotos, las cuales pueden asumir valores extremadamente grandes, es decir, extraordinarios, pero completamente improbables. Estas cargas son modeladas específicamente por distribuciones más precisas denominadas de valores extremos del tipo I y II (Ellingwood et al. 1980), pero que requieren más información que la simple media, la varianza y los valores mínimos. Por lo tanto, estas distribuciones no representan la distribución menos sesgada para las cargas transitorias. En consecuencia, la distribución lognormal modela mejor las cargas transitorias, ya que queda plenamente caracterizada por sus dos primeros momentos, permitiendo una implementación más sencilla en un análisis de confiabilidad. Las cargas ordinarias se corresponden con distribuciones caracterizadas por sus primeros momentos, como son la normal y lognormal.

Otra característica importante de la distribución lognormal es la función que mejor describe la combinación lineal de varias variables aleatorias positivas, aún cuando no estén caracterizadas por una distribución lognormal. En el diseño de las cimentaciones, la ecuación clásica de Brinch Hansen para el cálculo de la capacidad soportante de los suelos, puede ser interpretada como una combinación lineal de los parámetros que la describen, afectadas por un conjunto de factores que tienen en cuenta la incertidumbre, como se observa a continuación:

0.5



Por lo anterior, podemos considerar que caracterizar la resistencia total del suelo por una distribución lognormal, independientemente de las distribuciones que caracterizan las variables descriptoras de la resistencia del suelo, es totalmente correcto. La incertidumbre adicional introducida por la propia ecuación debe ser determinada por medio de un análisis de la incertidumbre, es decir, mediante una calibración.

Para la calibración de los factores de resistencias, estas son modeladas como el producto de una resistencia nominal y varios parámetros que tienen en cuenta las diferentes fuentes de incertidumbres. Por ejemplo, según la ASSHTO (13) , en la evaluación de la capacidad de carga de un puente, su rating, la resistencia total (R) se modela como el producto de la resistencia nominal (Rn) multiplicada por factores que caracterizan la incertidumbre: de construcción (ηc), del material (ηm) y de modelación analítica (ηa), según la siguiente expresión:

Una vez demostrado que la modelación de las cargas de la estructura y la resistencia del suelo pueden ser modeladas por una misma distribución de carga, podemos aplicar el análisis de confiabilidad al diseño de las cimentaciones.

3.2. Análisis de confiabilidad.

Uno de los objetivos de los EL es separar las incertidumbres de las cargas y las resistencias, para asegurar un nivel de seguridad prescripto. La inecuación básica de diseño por EL puede ser escrita de forma general según la siguiente expresión, para cualquier tipo de material incluyendo el suelo:

∑ · (4.1),

Donde: LF i : Factor de mayoración de las cargas, Sni : Carga nominal,

RF : Factor de reducción de las resistencias Rn : Resistencia nominal del material. 3.2.1. Modelación de la falla.

De acuerdo con la ISO 2394(9), la confiabilidad o probabilidad de supervivencia (Ps) es definida en función de la probabilidad de falla o de excedencia anual (Pf) por la expresión:

1 (4.2)

La probabilidad de falla (Pf), en general, es definida matemáticamente por una integral multi-dimensional:

0 (4.3)

Donde, Z es el criterio de falla o función de falla, algunas veces denominadas función de estado límite o función de desempeño, para el evento considerado; es la función de distribución de probabilidad para la variable normalizada X que describe las cargas y las resistencias conjuntamente.

Si la incertidumbre en la resistencia (R) y en la carga (S) es modelada por una única variable r y s, respectivamente, y si ambas variables son independientes la función de distribución que las describe conjuntamente puede ser escrita como (14):

, . (4,4)



Como las dos variables son independientes la ecuación (4.3) puede se escrita como una doble integral

(4.5)

La función de distribución acumulativa para un variable está dada por la integral:

(4.6)

La ecuación 4.5 puede ser escrita como una integral simple, o la integral de la convolución:

0 (4.7)

El integrando resultante de las dos últimas ecuaciones es representado en la siguiente figura (no a escala), y el área sombreada bajo la curva representa la probabilidad de falla (14).

En la figura también se ilustra el margen de seguridad de las medias o margen central, que en este simple caso es la diferencia entre las resistencias y las cargas medias. El margen de seguridad del diseño es menor que el margen de seguridad central debido al empleo de cargas y resistencias características y el empleo de factores de mayoración y minoración que incrementan las cargas y disminuyen las resistencias respectivamente.

Las dificultades para conocer los límites y solucionar las integrales anteriores ha motivado que surjan métodos alternativos para evaluar la confiabilidad, siendo el más difundido el índice de confiabilidad β, definido por:

(7) y (9) (4.8)

En la ISO 2394 (9) se establece la siguiente relación entre la probabilidad de falla (Pf) y el índice de confiabilidad (β) para una distribución normal:

En el manual de referencia de la AASHTO para el Diseño por Factores de Carga y Resistencia para Subestructura de Puentes de Carreteras (8), se establecen las siguientes tablas relacionando Pf y β para una distribución lognormal:



Tomado de: Development of Geotechnical Resistance Factors and Downdrag Load Factors for LRFD Foundation Strength Limit State Design. Reference Manual. National Highway Institute. 2005.

Asumir una distribución lognormal tanto para las cargas como para las resistencias, nos permite considerar que ambas se pueden tratar como el producto entre varias variables aleatorias. Por lo tanto, los efectos de las cargas y las resistencias de un sistema estructural o geotécnico se pueden expresar como se indica en la siguiente figura (15) en la cual la Pf está representada por el área sombreada:

El empleo de un método simple de confiabilidad para determinar los valores de los factores de carga, es decir, su calibración, emplea el método del FOSM (first-orden second-moment) suponiendo una distribución lognormal para las variables de diseño, es decir, para las cargas y las resistencias. Este método fue desarrollado por Cornell (1969) y Lind (1971) (13) y es el adoptado por las normas ISO 2394 y la ASC E 7-10.

Sean el efecto de las cargas S y la resistencia R variables aleatorias; entonces la falla (alcanzar un estado límite último) ocurre cuando:

Sea, 0, (4.9) donde g es la función de falla.

La probabilidad de falla Pf para una distribución lognormal de las cargas y de las resistencias se puede expresar como:

0 0 (4.10)

Como lnR y lnS son estadísticamente independientes la media y la desviación estándar σg están dadas por las ecuaciones:



(4.11)

(4.12)

El índice de seguridad o índice de confiabilidad β, el cual es una medida relativa de la seguridad para un sistema dado, se puede expresar en función de la media y la desviación estándar de g:

(4.13)

Para una distribución lognormal:

1 (4.14)

1 (4.15)

Donde, (4.16) y (4.17), son los coeficientes de variación de S y R, respectivamente, definidos como la relación entre la desviación estándar y la media.

MacGregor (1976) (13) demostró que para valores pequeños de VS o VR (digamos menor que 0.6), las siguientes expresiones constituyen aproximaciones aceptables dentro de un rango del 2 al 10%:

(4.18) y (4.19)

A título de comparación, los valores medios de VR informados para diferentes propiedades geotécnicas y resistencias están comprendidos en un rango entre alrededor de 0.1 y 0.5. Esta hipótesis sobrestima la incertidumbre de la resistencia, y por lo tanto es ligeramente conservadora (Becker 1996) (13).

A partir de la ecuación 4.13 obtenemos la expresión:

(4.20)

Lind demostró en 1971 la siguiente expresión:

(4.21)

donde: α es el coeficiente de separación cuyo valor está comprendido entre 0.707 y 0.85 dependiendo del valor de la relación VR /Vs , según se ilustra en la siguiente gráfica(13):



MacGregor (1976) (13) demostró:

(4.22)

Sustituyendo 4.22 en 4.21 obtenemos:

(4.23), escribiendo esta expresión en forma exponencial se obtiene:

(4.24)

Y reordenando:

(4.25)

La relación para la carga y la resistencia entre los valores medio y los nominales, se establece mediante la utilización de los coeficientes de ajustes o calibración kR y kS, respectivamente:

(4.26) y (4.27). Si adoptamos las cargas definidas por la norma de estructuras, es decir para edificio, puentes, etc., se puede considerar kS 1. El coeficiente kR considera los siguientes factores:

1. Error del modelo: Atribuible a la desviación del modelo de pronóstico. 2. Error sistemático: Por ejemplo, el error en la medición del número de golpes (SPT) atribuible al equipo o a procedimiento. 3. Variabilidad espacial inherente al suelo. 4. Incertidumbre estadística atribuible a un número insuficiente de pruebas. Sustituyendo 4.26 y 4.27 en 4.25 se obtiene:

(4.28)

Definiendo:

(4.29), Factor de minoración de la resistencia.

(4.30), Factor de mayoración de las cargas Obtenemos, sustituyendo en 4.28:

· · (4.31), ecuación equivalente a la 4.1.

Un procedimiento similar se puede seguir para una distribución normal obteniéndose las siguientes ecuaciones:

(4.32)

(4.33)

En este enfoque, los factores de las cargas y las resistencias, para alcanzar una confiabilidad determinada, están vinculados a través del término común β en las ecuaciones anteriores. Cualquier modificación en los factores de carga, sin los correspondientes ajustes en los factores de resistencia, provoca un cambio impredecible en el desempeño estructural y en su confiabilidad (7).



3.2.2. Determinación de β El segundo término de la ecuación 4.31, puede ser escrito de acuerdo con la

combinación de carga 2:

· 1.2 1.6 (4.32) Sea Ω (4.33), entonces: · 1.2 1.6Ω 1.2 1.6Ω · (4.33), donde

Sn G, y simplificando:

1.2 1.6Ω (4.34) Como valor promedio de Ω se adopta el valor Ω 0.33, luego

1.2 1.6 · 0.33 1.73 (4.34)

La ASCE 7-10 asume una distribución normal para las cargas, razón por la cual recomienda emplear la ecuación 4.32 para calcular βS, la cual se obtiene a partir de la ecuación 4.32 considerando kS 1 ; ésta ecuación se corresponde con la E-12 de la ISO/DIS 2394:2013 E (9) y con la C.2.3-1 de la ASCE 7/SEI–10 (7) .

(4.35)

Para determinar el coeficiente de variación de las cargas VS se empleó la ecuación:

(4.36), calculándose los valores mínimos, medios y máximos en la

siguiente tabla:

En esta tabla observamos como en la medida que se incrementa Vs disminuye el valor del índice de confiabilidad β y por lo tanto se incrementa la probabilidad de falla. Los valores de β (13), estimados por Ellingwood, para las cargas se observan en la siguiente tabla:

0.210 0.275 0.3404.760 3.630 2.940

0.75

Tabla 8

Valores de β en función del coeficiente de variación de la carga VS

Vs=β=

ψG=ψQ=

η=ψQ/ψG=α=

1.21.60.75

Valores del índice de confiabilidad β, según Ellingwood, para las cargas.

PermanenteAccidentales

Viento

Tabla 9

Sismo

3.002.752.501.75



Al comparar ambas tablas concluimos que el resultado obtenido está dentro del rango asumido por la ASCE 7-10. Para la resistencia se asumió una distribución lognormal empleando la ecuación 4.29, ecuación que se corresponde con la E-13 de la ISO/DIS 2394:2013 E (9) y con la C.2.3-2 de la ASCE 7/SEI–10 (7). Despejando β y aplicando logaritmo se obtiene:

(4.37)

La tabla 6 muestra el rango de variación del coeficiente de reducción y su correlación con el coeficiente de variación de la resistencia del suelo VR, cuyo rango fue determinado con anterioridad. Para cada uno de estos valores se determinó β mediante la fórmula 4.35:

Al analizar la tabla anterior observamos que el rango de variación de β oscila entre 2.0 y 10.3, con una variación promedio entre 3.1 y 3.6. Al analizar la tabla se deduce que para suelos uniforme los resultados obtenidos son conservadores. Además, los valores para suelos muy variables están en el rango de 2.0 y 2.3, lo cual es aceptable.

Conclusiones:

En el presente trabajo se propone un método para el diseño geotécnico de cimentaciones para edificaciones basado en el enfoque del empleo de un factor de reducción (Φ) para los valores de la resistencia, en concordancia con el método adoptado para los elementos de la superestructura con materiales como el hormigón, el acero, la madera y otros, mayorando las cargas con los mismos coeficientes empleados por la NC 450.2006 y la ASCE 7-10. Para el diseño por resistencia última se propone determinar Φ mediante la combinación de dos factores: Φi, factor que tiene en cuenta la clase de investigación y ΦS, factor que considera la complejidad geológica del suelo. De esta forma se obtiene un rango de valores para Φ que variia entre 0.42 y 0.53. Esta calibración se realizó a partir del factor de seguridad FS=3 empleado en el método de los esfuerzos admisibles, procedimiento adoptado por varios códigos. Posteriormente se determinó el valor del índice de confiabilidad β para la combinación de carga 1.2G+1.6Q en función del rango de variación de su coeficiente de variación Vs y se comparó con los valores de β obtenidos para el rango de Φ, demostrándose su concordancia. Igual resultado se obtuvo al realizar la comparación con otros códigos. Para el diseñó por deformación se adoptó el criterio de no mayorar las cargas al igual que en el caalculo de la superestructura y como generalmente ha sido adoptado por la mayoría de los códigos geotécnicos. Respecto a la resistencia por deformación se adoptó un criterio intermedio entre la tendencia a no emplear factor de reducción y la de emplear valores hasta de 0.70. De esta forma se asumió un valor Φd=0.9 afectado por el coeficiente de complejidad del suelo Φs. Así se obtiene un rango de variación para Φ entre 0.86 y 0.95.

0.5 0.3 0.12.3 3.6 10.32.2 3.4 9.42.0 3.1 8.6

Índice de confiabilidad β para la matriz de variación Φ en función del índice de variación

de las cargas VR.

VR

β

Tabla 10



Se demuestra que los factores de mayoración de las cargas (Ψi) y los factores de reducción de las resistencias ( ) dependen del nivel de confiabilidad (β) adoptado para cada código de cargas, es decir, para edificaciones, puentes de carreteras o ferrocarriles, obras marítimas u otros y del tipo de acción geotécnica considerada, por ejemplo, cimentaciones superficiales, cimentaciones profundas, deslizamientos, taludes, empujes de tierras y otras. Por estas razones se hace necesario profundizar en los criterios de confiabilidad de nuestras normas al adoptar los valores de códigos líderes y evitar la mezcla de ellos, los cuales en general presentan diferencias en los enfoques y criterios de confiabilidad.

Referencias:

1. Wong, Patrick K.; Day Robert A.; Poulos Harry G., Australia, 2010. 2. Nuevos conceptos para la evaluación cualitativa de la confiabilidad en el diseño

estructural. Marek, Pavel, Gustar, Milan, Sánchez-Silva, Mauricio. Rev. Int. de desastres naturales, accidentes e infraestructura civil. Colombia. 2003.

3. LRFD Design and Construction of Shallow Foundations for Highway Bridge Structures, NCHRP. Report 651. Samuel G. Paikowsky, et. al. National Cooperative Highway Research Program.

4. Load and Resistance Factor Geotechnical Design Code Development in Canada. Fenton, Gordon A.; Dalhousie University. Canada. 2010.

5. Anejo Nacional Español del Eurocódigo 7. Estaire, José; Santayana, Fernando Pardo; Perucho, Áurea. Laboratorio de Geotecnia – CEDEX. España. 2012.

6. NC 450.2006: Edificaciones. Factores de Carga o Ponderación. Oficina Nacional de Normalización (NC). Cuba. 2006.

7. Minimum Design Loads for Buildings and Other Structures ASCE 7/SEI–10. ASCE Standard. ASCE. EEUU. 2010.

8. Load and Resistance Factor Design (LRFD) for Highway Bridge Substructures. Publication No. FHWA HI-98-032. Reference Manual and Participant Workbook. U.S. Department of Fifteen years of geotechnical limit state design in Australia. Part II – Foundations Transportation, FHA. EEUU. 2001.

9. General principies on reliability for structures. ISO 2394. ISO/DIS 2394:2013 E International standard.

10. Propuesta Norma para el Diseño Geotecnico de Cimentaciones Superficiales. Quevedo, Gilberto y Et. Al. Cuba. 2014.

11. LFRD Implementation of Shallow Spread Footings for Bridge Structures. Riseborough, Jim, P.E. and Tysl, Steve, P.E. Professional Development Advertising Section — Contech Engineered Solutions. EEUU. 2012.

12. Resistance Factors for Settlement Design. by Gordon A. Fenton,D. V. Griffiths,and W. Cavers. Canadian Geotechnical Journal, v. 42, no. 5, pp 1422–1436. Canadá. 2005.

13. Assessment of Current Load Factors for Use in Geotechnical Load and Resistance Factor Design. B. Scott; B. J. Kim; and R. Salgado, M.ASCE. Journal of geotechnical and geoenvironmental engineering. ASCE. EEUU. 2003.

14. Probabilistic methods: Uses and abuses in structural integrity. Prepared by BOMEL Limited. HSE. Health & Safety Executive. UK. 2001.

15. Development of Geotechnical Resistance Factors and Downdrag Load Factors for LRFD. Publication No. FHWA-NHI-05-051. U.S. Department of Transportation. FHA. EEUU. 2005.


Metodología para el diseño de una base de datos de modelo CAD basado en STEP. Methodology for the design of a CAD model database based in STEP. Ing. Erodis Pérez Michel

Profesor Instructor Universidad de Granma, Departamento de Informática, Bayamo, Granma, Cuba,

Telf: (0123) 48 81 41 Email: [email protected]

Dr.C. Ricardo Lorenzo Ávila Rondón Profesor Titular Universidad de Holguín, Centro de Estudios CAD/CAM, Holguín, Cuba. Telf: (0124) 48 26 78 Email: [email protected]

Recibido: 09-09-14 Aceptado: 27-10-14

Resumen:

Este artículo presenta una metodología o estrategia para el modelado de una base de datos de modelo CAD basado en STEP. Este modelo esta descrito en el lenguaje de modelado EXPRESS. Se utiliza el Protocolo de Aplicación 203 como modelo CAD y a la herramienta libre PostgreSQL, aprovechándose las facilidades de su modelo de datos objeto-relacional. También se considera las técnicas y los patrones de mapeo objeto-relacional y otros conceptos de análisis y diseño orientado a objeto.

Palabras clave: Base de datos, STEP, EXPRESS, PostgreSQL, Mapeo objeto-relacional

Abstract:

This paper presents a methodology or approach for modeling a CAD model database based on STEP. EXPRESS language describes the model. It is utilized the Application Protocol 203 like CAD model and the free tool PostgreSQL, taking advantage of facilities of its own object-relational data model. Techniques and patterns of object-relational mapping and other concepts of object oriented analysis and design are considered.

Keywords: Database, STEP, EXPRESS, PostgreSQL, Object-relational mapping

Ing. Erodis Pérez Michel, Dr.C. Ricardo Lorenzo Ávila Rondón. Metodología para el diseño de una base de datos de modelo CAD basado en STEP.


Introducción:

Con la introducción de las tecnologías de la información en las empresas, una de las áreas más influenciadas es la del diseño mediante la utilización de las herramientas de Diseño Asistido por Computadora (CAD, de Computer Aided Design), a través de los cuales se ha logrado mejorar significativamente la calidad y rapidez de los diseños.

Los dibujos creados con herramientas CAD representan aumentos de productividad sobre los dibujos en papel, así como la facilidad de revisarlos y archivarlos. Las herramientas CAD también abrieron nuevas oportunidades, como la habilitación de instrucciones de fabricación que se derivan de forma automática y se ejecuta directamente desde el dibujo a través de los sistemas de Planeación de la Producción Asistida por Computadora (CAPP, de Computer Aided Production Planning). Las herramientas CAD, CAPP y CAM (del inglés Computer Aided Manufacturing) se han proliferado para satisfacer necesidades de ingeniería cada vez más complejas y diversas, y con estas los formatos que utilizan para almacenar e intercambiar los datos del producto.

Para que las empresas compartan el diseño de un producto a través de diversos sistemas CAD, CAPP, CAM y otros que abarcan el ciclo de vida de este, lo ideal sería que existiera un formato estándar para transferir la información de manera que las herramientas puedan reconocer los datos del producto. Este requisito resulta cada vez más indispensable en una era donde los fabricantes suelen formar empresas conjuntas para hacer frente a oportunidades de negocio, y donde los socios de una cadena de suministros están llamados a ofrecer una gama cada vez más compleja de servicios.

Existen un conjunto de estándares para intercambiar información entre diferentes sistemas que intervienen durante el ciclo de vida de un producto, tal es el caso de los ficheros de intercambio DXF y DWG de la compañía Autodesk o los estándares internacionales IGES (del inglés Initial Graphics Exchange Specification) [1] o STEP (acrónimo de Standard for the Exchange of Product model data) [2]; sin embargo los estándares de intercambio IGES o STEP han sido los que más han logrado imponerse como método para intercambiar información de forma de productos. El objetivo de estos estándares es garantizar la interoperabilidad entre los diferentes sistemas CAD/CAPP/CAM. La interoperabilidad persigue facilitar, compartir e intercambiar información del producto entre varios módulos dentro de un sistema de desarrollo del producto [3].

La norma STEP es una de las mejores estructurada y documenta, lo que la hace adecuada no sólo para el intercambio de archivos neutro con información del producto, sino también como base para implementar y compartir bases de datos de productos. La integración de los datos del producto entorno a una base de datos puede propiciar la ingeniería concurrente, un proceso donde múltiples ingenieros trabajan en varias facetas del producto concurrentemente [4], no obstante las bases de datos integradas del producto no son comunes en la industria. La razón de esto es que las aplicaciones de ingeniería manejan usualmente modelos de información muy complejos. Estos modelos son complejos porque las aplicaciones de ingeniería manipulan simulaciones del mundo real y estos modelos poseen información referente a la geometría, la tolerancia, los materiales y los planes de manufactura, etc. que son estructuralmente y semánticamente muy ricos.

Ahora bien se han desarrollado varias investigaciones para compartir datos de modelos CAD del producto entorno a una base de datos; pero no existe una herramienta libre que permita compartir en una base de datos común, modelos de información CAD descritos en EXPRESS entre sistemas CAD/CAPP y otros.

Métodos y Materiales

La revisión de fuentes bibliográficas, esencialmente de la norma ISO 10303, de conjunto con el método analítico – sintético permitieron sintetizar los elementos más importantes relacionados con el diseño de base de datos de modelos CAD basados en la norma STEP [5], los elementos esenciales del modelo de datos objeto - relacional del sistema de base de datos PostgreSQL y las técnicas o patrones de diseño para el mapeo objeto/relacional.



ISO 10303 o STEP (Estándar para el intercambio de modelo de datos de productos)

Es un estándar internacional para la representación e intercambio de información de productos industriales. El objetivo es proveer un mecanismo que sea capaz de describir la información de un producto a través de su ciclo de vida, independientemente de cualquier sistema en particular. La naturaleza de esta descripción la convierte en la adecuada para intercambiar y compartir modelos de datos de productos. Uno de los aspectos más importantes de STEP es su extensibilidad. Esta extensibilidad es el resultado de la decisión de basar a STEP en un lenguaje de modelado de información, el lenguaje EXPRESS [6], el cual constituye el método de descripción fundamental de la norma y es puramente orientado a objeto. El estándar STEP clasifica los tipos diversos de datos del producto en Protocolos de Aplicación (AP). Cada AP es un documento formal que describe las actividades en el ciclo de vida de un producto. Uno de estos protocolos es el Protocolo de Aplicación 203 “Configuration Controlled 3D Designs of Mechanical Parts and Assemblies” [7], el cual se refiere a la transferencia de información de modelos de forma del producto, estructura de ensamble y control de configuración, por ejemplo: versiones de pieza, estado de liberación, los datos de autorización.

Mapeo Objeto/Relacional

El mapeo objeto-relacional, más conocido por su nombre en inglés Object-Relational mapping o sus siglas O/RM, ORM y O/R mapping, es una técnica de programación para convertir datos entre el sistema de tipos utilizado en un lenguaje de programación orientado a objetos, y el utilizado en una base de datos relacional, utilizando un motor de persistencia [8]. En la práctica esto crea una base de datos orientada a objetos virtual sobre la base de datos relacional. Esto posibilita el uso de las características propias de la orientación a objeto, básicamente la herencia y el polimorfismo.

Debido a que EXPRESS es un lenguaje para el modelado que hace uso de los conceptos de orientación a objeto antes mencionados para describir los datos de un producto determinado, es preciso para realizar un correcto mapeo de modelos CAD descritos en este lenguaje, tener en cuenta los patrones y técnicas de mapeo objeto-relacional.

Para una discusión detallada sobre los beneficios e inconvenientes de los patrones y técnicas de mapeo objeto-relacional véase [9, 10]. Para obtener más información acerca de la implementación de estos modelos consúltese [11].

El uso de un ORM es una alternativa sumamente efectiva a la hora de trasladar el modelo orientado a objeto al esquema relacional nativo de las bases de datos SQL. Evita la inclusión de sentencias SQL embebidas en el código de la aplicación, lo que a su vez facilita la migración hacia otro sistema gestor de bases de datos. Incorpora además una capa de abstracción entre el modelo relacional físico y la capa de negocios de la aplicación. Al ser realizado en esta capa de manera automática la conversión de instrucciones orientadas a objetos a sentencias SQL, se minimiza la ocurrencia de errores humanos.

Sistema de base de datos PostgreSQL

Es un potente sistema de gestión de bases de datos objeto-relacional (O-RDBMS), multiusuario, centralizado y de propósito general, que está siendo desarrollado desde 1977 y está liberado bajo la licencia Berkeley Software Distribution (BSD). Es ampliamente considerado como el sistema gestor de bases de datos de código abierto más avanzado del mundo. Ofrece sofisticadas características muy útiles a la hora de concebir una herramienta ORM que sirva como capa intermedia entre el modelo orientado a objeto y el esquema relacional nativo de las bases de datos SQL, algunas de las características se mencionan a continuación: organiza los datos mediante un modelo objeto-relacional; Soporte para parte de los estándares SQL 92, 99, 2003 y 2008. Incorpora comportamiento para manejar colecciones de valores en los campo de una tabla o lo que se conoce como tablas Non-First Normal Form [12]. Cuenta con una API sumamente flexible



para el trabajo con varios lenguajes de programación procedurales como: C, C++, NET, Bash, Delphi, PL/Java, PL/Perl, PL/Tcl, PL/pgSQL, PL/Ruby, PL/PHP, PL/Python, PL/Scheme y PL/R. Ofrece transacciones que permiten el paso entre dos estados consistentes manteniendo la integridad de los datos. Tiene incorporado el mecanismo Write Ahead Logging (WAL), que incrementa la confiabilidad de las bases de datos al registrar los cambios antes de ser escritos al disco; lo que asegura que, en caso de ocurrir un fallo crítico en las bases de datos, exista un registro de transacciones del cual se pueda restaurar [13].

Resultados

Como resultado de esta investigación se obtiene una metodología o estrategia para modelar bases de datos de modelos CAD descritos en el lenguaje EXPRESS, usando herramientas libres y que aprovecha las facilidades del sistema de base de datos objeto-relacional PostgreSQL, las técnicas de mapeo objeto-relacional y otros conceptos de análisis y diseño orientado a objeto.

Estrategia para definir la estructura de la base de datos relacional desde EXPRESS

Los modelos de información EXPRESS orientados a objeto y el modelo relacional son paradigmas diferentes de programación. Cuando los objetos necesitan ser almacenados en bases de datos relacionales, las diferencias entre estas dos perspectivas necesitan ser minimizadas. Si sólo los módulos de abstracción de datos necesitan ser mapeados a una base de datos relacional el proceso es relativamente fácil. Pero cuando existen modelos de objeto completamente solapados los conceptos de programación orientada a objeto tienen que ser mapeados a la estructura relacional de tabla. Estos conceptos son:

• la herencia y el polimorfismo, • las interrelaciones entre las clases (asociación, agregación, o composición), • y los tipos de datos más sofisticados que los tipos de datos SQL. • Otros, pueden consultarse en [14, 15].

Cada uno de los conceptos antes mencionados pueden ser mapeados usando soluciones diferentes para el mismo problema. Cada solución diferente será tratada como un patrón separado, véase [9, 10].

Para definir la estructura de la base de datos relacional, los implementadores deben convertir un modelo de información EXPRESS en las definiciones del esquema para la base de datos de destino. Esta conversión requiere un mapeo de las construcciones semánticas del lenguaje EXPRESS en el modelo de datos del sistema de bases de datos de destino. Los modelos de información EXPRESS pueden retar las capacidades de los sistemas de bases de datos existentes. En particular, las siguientes características de EXPRESS pueden requerir codificación u otras manipulaciones para preservar la información original en el modelo de datos nativo:

• Entidades (ENTITY en EXPRESS): Existen varias alternativas para transformar las entidades y su jerarquía de herencia, una de ellas es transformar cada entidad a una tabla en la base de datos relacional, para esto es preciso agregar un atributo que identifique a cada tupla en la tabla, es decir una llave primaria. También hay que tener en cuenta que una entidad puede tener atributos simple y otros más complejos como agregaciones de otras entidades o atributos que son colecciones de valores, los cuales no son soportados directamente por los Sistema de Gestión de Base de Datos actuales. Los atributos de una entidad son representados como una columna en la tabla de la entidad o como una tabla. Si el atributo es una asociación (los atributos cuyo tipo es array, bag, list o set) tiene su propia tabla; de otra manera, el atributo es representado como una columna de la tabla entidad. La plantilla de la tabla 1 resume la estructura de la tabla entidad, cuyo nombre será el nombre de la entidad en el lenguaje EXPRESS.



Tabla 1. Estructura de la tabla entidad.

Atributo del sistema Atributos para las

entidades base Atributos simples

EntityID Model_ID EntityRef Columnas de atributos propios

Descripción de los atributos columnas

La primera columna de cada tabla entidad es EntityID. Contiene un identificador único para cada instancia de una entidad. Este identificador es utilizado como la llave primaria de la tabla entidad y este probablemente pueda ser referenciado en dos situaciones fuera de esta tabla. Una entidad referenciada por otra entidad como un atributo representado por este identificador en la columna de ese atributo de la tabla entidad. Para una entidad con atributos agregado, el mismo identificador de la entidad es también usado en las tablas que contienen los datos para estos atributos.

La segunda columna de cada tabla entidad que es base en el árbol de herencia es Model_ID, un atributo llave foránea que se agrega para identificar a que producto pertenece cada instancia de una entidad.

La tercera columna de cada tabla entidad que es base en el árbol de herencia es EntityRef. Este atributo contiene la referencia a una instancia de una entidad según lo establecido por el estándar Parts 21 [16].

Finalmente, las restantes columna serán solo para los tipos básicos de EXPRESS que puedan ser transformados directamente a tipos de datos en SQL del sistema de base de datos relacional destino, o sea, los atributos no agregado declarados directamente en la definición de la entidad EXPRESS son columnas de la tabla.

En el ejemplo que sigue a la porción del esquema EXPRESS son mostradas las declaraciones SQL producidas para crear las tablas necesarias para el esquema EXPRESS. La tabla 2 resume los tipos básicos EXPRESS y su posible representación en el sistema de base de datos objeto-relacional de código abierto PostgreSQL [17].

Ejemplo en EXPRESS:

ENTITY geometry (* GEOM-1 *) SUPERTYPE OF (ONEOF (point, vector, curve, surface,

coordinate_system, transformation, axis_placement));

local_coordinate_system: OPTIONAL coordinate_system;

axis: OPTIONAL transformation;

END_ENTITY;

ENTITY vector (* GEOM-3 *) SUPERTYPE OF (direction ANDOR vector_with_magnitude)

SUBTYPE OF (geometry);

END_ENTITY;



ENTITY direction (* GEOM-14 *) SUBTYPE OF (vector);

x: REAL;

y: REAL;

z: OPTIONAL REAL;

END_ENTITY;

Ejemplo en SQL:

CREATE TABLE geometry ( EntityID BIGSERIAL PRIMARY KEY /*SYSTEM ATTRIBUTES*/,

Model_ID BIGSERIAL NOT NULL /*SYSTEM ATTRIBUTES*/,

EntityRef VARCHAR (50) NOT NULL /*SYSTEM ATTRIBUTES*/,

local_coordinate_system BIGSERIAL /* FOREIGN KEY */,

axis BIGSERIAL /* FOREIGN KEY */ );

ALTER TABLE geometry ADD CONSTRAINT FK_ geometry_LCS FOREIGN KEY (local_coordinate_system)

REFERENCES coordinate_system (EntityID); ALTER TABLE geometry ADD CONSTRAINT FK_ geometry_Transf

FOREIGN KEY (axis) REFERENCES transformation (EntityID);

CREATE TABLE vector ( EntityID BIGSERIAL PRIMARY KEY /* FOREIGN KEY */

);

ALTER TABLE vector ADD CONSTRAINT FK_ vector_ID FOREIGN KEY (EntityID) REFERENCES geometry (EntityID);

CREATE TABLE direction ( EntityID BIGSERIAL PRIMARY KEY /* FOREIGN KEY */,

X FLOAT8 NOT NULL,

Y FLOAT8 NOT NULL,

Z FLOAT8 );

ALTER TABLE direction ADD CONSTRAINT FK_ direction_ID FOREIGN KEY (EntityID) REFERENCES vector (EntityID);



Tabla 2. Coincidencia de tipos base EXPRESS y SQL en PostgreSQL.

EXPRESS PostgreSQLINTEGER INTEGER REAL FLOAT8, DOUBLE PRECISION REAL(n) NUMERIC [ (n, s) ], DECIMAL [(n, s)] NUMBER FLOAT8, DOUBLE PRECISION BOOLEAN CHAR (3), SMALLINT, BOOL LOGICAL CHAR (3), SMALLINT STRING TEXT (alrededor de 1 Gb) STRING (n) VARCHAR (n) STRING (n) FIXED CHAR (n) BINARY BYTEA BINARY (n) VARBIT (n) BINARY (n) FIXED BIT (n) ENTITY (referencia) VARCHAR (50), FOREIGN KEY

Descripción de los atributos tablas

Los atributos de una entidad que son representados como una tabla, son aquellos que representan una asociación con otra entidad, o sea los atributos cuyo tipo es array, bag, list o set.

PostgreSQL permite que columnas de una tabla sean definidas como matrices multidimensionales de longitud variable [18]. En este caso aprovechando esta característica del modelo de datos objeto - relacional de PostgreSQL, para las columnas que son asociaciones con tipos bases de EXPRESS como se definió en la Tabla 2, el proceso de traducción para esos atributos es similar a los atributos con tipo de datos básicos, solo hay que definir esos atributos como un arreglo del tipo básico en PostgreSQL, sin importar si son de tipo array, bag, list o set. Sin embargo hay que tener en cuenta que los tipos set y bag no permiten valores nulos. Un ejemplo de este proceso se muestra en la tabla 3 que aparece a continuación:

Tabla 3. Reglas para la traducción de las asociaciones de tipos base.

EXPRESS PostgreSQL

ENTITY point

coord: ARRAY [3] OF REAL;

END_ENTITY;

CREATE TABLE point ( EntityID BIGSERIAL PRIMARY KEY,

Model_ID BIGSERIAL NOT NULL,

EntityRef VARCHAR (50) NOT NULL,

coord FLOAT8 [3] );

Nota:

• El atributo coord almacenará el valor de la coordenada x, y, z del punto en cuestión.



Para el caso de las asociaciones más complejas es preciso tener en cuenta las siguientes consideraciones:

• El nombre de la tabla es una combinación del nombre de la entidad y el nombre del atributo, de esta manera se asegura que el nombre de la tabla sea único.

• Cada tupla en la tabla tendrá una llave foránea, fk_aggr_column, el cual hace referencia a la llave primaria de la instancia en la entidad que tiene la agregación del atributo.

• El campo index_column tiene un valor ordinal de los elementos de las colecciones ordenadas tales como las listas y los arreglos.

• La agregación anidada tendrá varios campos index_column en dependencia del nivel de anidación.

• El campo value_column almacenará la llave foránea de la tabla en que se almacena el valor realmente.

Un resumen de las consideraciones anteriores se muestra en la siguiente tabla:

Tabla 4. Estructura de la tabla para las asociaciones entre entidades.

Nombre de la tabla: TableName_AttributeName

id_column

(“ID”)

fk_aggr_column

(“fk_owner”)

index_column

(“attribute_number”)

value_column

("attribute_name")

• Los tipos de datos construidos: hay dos clases de tipos de datos construidos en EXPRESS:

el tipo de dato ENUMERATION y SELECT. Estos tipos de datos tienen estructuras sintácticas similares y se usan para proveer representaciones subyacentes de tipos de datos definidos por el usuario. Ambos indican la especificación de un dominio para atributos. Un tipo ENUMERATION especifica los valores posibles para el dominio explícitamente; un tipo SELECT especifica los valores posibles indirectamente.

Procedimiento para la traducción de los ENUMERATION a ENUM en PostgreSQL

El tipo de datos ENUMERATION tiene como su dominio un conjunto de nombres. Los nombres representan valores del tipo de datos. Estos nombres son nombrados enumeration_ids y son llamados ENUMERATION ítems.

Para traducir un tipo ENUMERATION el sistema gestor de base de datos PostgreSQL posee una instrucción [19] para definir un tipo similar a este, y que después puede ser usado en la definición de otros objetos en un esquema de base de datos. Por ejemplo si se tiene la declaración en EXPRESS siguiente:

TYPE b_spline_curve_form = ENUMERATION OF

(polyline_form, circular_arc, elliptic_arc, parabolic_arc, hyperbolic_arc, unspecified);

END_TYPE;

para definir el tipo b_spline_curve_form el cual puede ser usado en la definición de otras entidades. Para traducirlo a un tipo equivalente en SQL, se utiliza la instrucción CREATE TYPE y se hace uso del tipo básico ENUM, con el cual se define un nuevo dominio y los valores correspondientes para un atributo determinado. La instrucción DDL correspondiente se muestra a continuación:

CREATE TYPE b_spline_curve_form AS



ENUM (‘polyline_form’, ‘circular_arc’, ‘elliptic_arc’, ‘parabolic_arc’, ‘hyperbolic_arc’,

‘unspecified’);

De esta forma una vez ejecutada la instrucción quedaría listo para usarse el nuevo tipo.

Procedimiento para la traducción del tipo SELECT

El tipo de datos SELECT tiene como su dominio la unión de los dominios de los tipos de datos designados en su lista de selección. Este es una generalización de cada uno de los tipos de datos designados en su lista de selección. A continuación se muestra un ejemplo en EXPRESS de la descripción del tipo SELECT geometric_set_select, cuyo valor está definido por el valor de los tipos en su lista de selección, point, curve, surface.

TYPE geometric_set_select = SELECT

(point, curve, surface);

END_TYPE;

En PostgreSQL no existe un tipo equivalente, por tanto cuando los tipos de la lista de selección son entidades, los valores del campo en la tabla son los identificadores de entidad (EntityID) como si el tipo del atributo hubiese sido una entidad. Por otra parte, cuando los tipos de la lista de selección no son entidades, los valores deben ser del mismo tipo base que el tipo definido. En EXPRESS es posible crear un objeto que no tiene un solo tipo base a través del uso del tipo SELECT. En ésta propuesta de diseño no se tiene en cuenta esto porque en la especificación del Protocolo de Aplicación 203 las definiciones de la mayoría de los tipos de datos SELECT, la selección es entre tipos entidad; por consiguiente, un atributo de tipo SELECT se traduce en el tipo SQL BIGSERIAL, igual que los atributos identificadores del tipo entidad. Finalmente en la tabla que contiene atributos que son de tipo SELECT se le agregará un atributo (SL_attribute) por cada uno de los atributos de tipo SELECT, estos atributos almacenarán la descripción del tipo seleccionado en la lista de selección del tipo SELECT. La tabla 5 especifica la regla de traducción descrita anteriormente.

Tabla 5. Reglas para la traducción del tipo SELECT.

EXPRESS [20] PostgreSQL

ENTITY geometric_set SUBTYPE OF (geometric_representation_item);

element: geometric_set_select;

END_ENTITY;

CREATE TABLE geometric_set ( EntityID BIGSERIAL PRIMARY KEY,

element BIGSERIAL /* SELECT type*/,

SL_element VARCHAR (128) );

Nota:

• El atributo element almacenará el valor de la llave de la entidad tabla con que fue instanciado (point, curve, surface).

• SL_element almacenará precisamente el nombre del valor seleccionado entre (point, curve, surface).



Discusión

No existe un método de implementación estándar para traducir modelos STEP en un modelo de datos relacional, sin embargo tal traducción es factible y se pueden encontrar algunos caso que así lo demuestran. Los esfuerzos desarrollados en este sentido han sido encaminados fundamentalmente a la implementación de bases de datos basadas en la norma ISO 10303, aprovechando el método de descripción de la norma, el lenguaje EXPRESS. Numerosas investigaciones se han realizado en este sentido en diferentes etapas dentro de las que destacan las siguientes:

JSDAI Database es una solución proporcionada por LKSoft [21] para almacenar información sobre los productos industriales como objetos en bases de datos relacionales, y hacerla disponible a través de interfaces de programación de aplicaciones (API) compatibles con los estándares. Cada tipo de objeto de producto especificado por un modelo de información EXPRESS es compatible. Esto incluye las normas internacionales conocidas como STEP o ISO 10303, la biblioteca de piezas (ISO 13584 o PLIB), los tipos de elementos de datos estándar (IEC 61360) y otros. Además admiten esquemas EXPRESS específicos de un usuario. Es software propietario que utiliza la estrategia de transformación de tipos de datos del modelo a tabla en la base de datos, cuyo inconveniente es que los datos de una entidad están disperso por varias tablas en la base de datos, incrementado la complejidad de la extracción de la información de la base de datos.

Babu y otros en este artículo [22] proponen una bases de datos de manufactura para datos STEP-NC [23] de entidades EXPRESS. Esta base de datos de manufactura principalmente incluye datos de procesamiento, datos de manufactura para el maquinado y el torneado y los datos del herramental para estas operaciones tecnológicas. En este artículo no se describe el procedimiento usado por los autores para transformar el esquema EXPRESS de STEP-NC al lenguaje de base de datos de destino.

You y otros presentan la implementación de GTCIS2SQL [24] una base de datos relacional sobre CIS/2, un estándar de modelado de producto para estructuras de acero usadas en la construcción de edificios. GTCIS2SQL soporta comunicación basada en la Web con aplicaciones que intercambian datos en archivos neutros p21. Este soporta una gran variedad de facilidades para consultar los datos. Este artículo describe el procedimiento y las consideraciones hechas a las construcciones del lenguaje EXPRESS para construir el esquema de la base de datos que almacenará los datos de un producto descrito con este estándar.

Loffredo propone [25] una guía para implementar bases de datos de ingeniería alrededor de modelos complejos. En particular, este trabajo presenta una evaluación sistemática de las arquitecturas de implementación de STEP, un set de estándares de comparación que simulan como las aplicaciones de ingeniería acceden a una base de datos de modelos STEP y las recomendaciones extraídas de los experimentos con varios sistemas de bases de datos excepto con PostgreSQL.

Morris en su reporte de trabajo describe el método usado por el software fedex_sql [26] para traducir un esquema EXPRESS en las declaraciones SQL, las cuales generen un esquema de base de datos relacional para almacenar datos STEP. El software fue desarrollado por el NIST (National Institute Of Standards And Technology). También presenta tres tipos de dificultades que están involucradas en la traducción de esquemas EXPRESS a un esquema de base de datos relacional: la traducción de las construcciones semánticas de EXPRESS en el lenguaje de definición de datos de SQL, la resolución de limitación impuesta por el sistema de gestión de base de datos, y el desarrollo de un diccionario de datos. En el artículo se le da solución a las dos primeras limitaciones. Sin embargo el proyecto fue abandonado y no existe soporte para el mismo.

Existen otras investigaciones al respecto [27-30] que fundamentalmente basan su trabajo en la traducción de esquemas EXPRESS a sistemas de bases de datos orientados a objetos, siendo esto una vía factible si se tiene en cuenta que los modelos de datos de los protocolos de aplicación poseen ciento y miles de definiciones de entidades y tipos de datos redefinidos, pero su único inconveniente es que los sistemas de base de datos orientados a objetos no son muy comunes y la mayoría de los existentes son software propietario.



La metodología propuesta en esta investigación aprovecha cada una de las ventajas e inconveniente de estas investigaciones, además saca provecho del modelo de datos híbrido objeto-relacional del sistema de base de datos PostgreSQL para representar algunas construcciones semánticas del lenguaje de modelado EXPRESS y se basa en el uso de herramienta en la modalidad de software libre.

Conclusiones:

La metodología propuesta constituye una herramienta para desarrollar un ORM que sirva como capa intermedia entre el modelo orientado a objeto obtenido a partir del modelo EXPRESS de un protocolo de aplicación y el modelo relacional que implementa el sistema de base de datos PostgreSQL. También constituye un método robusto de mapeo de las construcciones semánticas del lenguaje de modelado EXPRESS y la implementación del lenguaje SQL del sistema gestor de base de datos PostgreSQL. Además es una alternativa muy efectiva para simplificar la persistencia de la información y lograr la abstracción del sistema gestor de base de datos. Reduce el número de tablas en la base de datos al utilizar el tipo ARRAY de PostgreSQL.

Referencias:

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1 Revista de Arquitectura e Ingeniería. 2014, Vol.8 No.3 ISSN 1990-8830 / RNPS 2125

Catálogo de los puentes proyectados por Jules Sagebien en la provincia de Matanzas. Catalogue of Jules Sagebien projected in the province of Matanzas bridges.

DrC. Ing. Luis R. González Arestuche Ingeniero Civil. Doctor en Ciencias Técnicas Director de Negocios, Mercadotecnia y Comunicación Empresa de Proyectos de Arquitectura e Ingeniería, EMPAI. Matanzas. Cuba Profesor Titular de la Carrera de Ingeniería Civil de la UMCC. Cuba Telf: (45) 291802 ext. 204 Email: [email protected]

Ing. C. J. Rolo Pico Empresa Constructora Militar de Matanzas. Cuba Arq. Rubén A. Delgado Rodríguez Arquitecto. Especialista de Proyecto Empresa de Proyectos de Arquitectura e Ingeniería, EMPAI. Matanzas. Cuba Telf: (45) 291802 ext. 230 Email: [email protected] Recibido: 21-07-14 Aceptado: 26-08-14 Resumen: Esta investigación recopila en documento único, el mejor quehacer de uno de los principales forjadores de Matanzas como ciudad y del desarrollo industrial inicial, alcanzado en el siglo XIX, para la demarcación. El respeto hacia la conservación y el rescate del patrimonio construido en la actual provincia homónima, por sus altísimos valores: histórico, cultural y tecnológico, considera la necesidad del conocimiento ciudadano sobre la actividad del francés Jules Sagebien Tavernier. Desde el año 2009 diferentes instituciones y asociaciones promueven, desde Francia y aquí en Cuba, el estudio de sus realizaciones. Este trabajo pretende ir más allá de las observaciones anteriores, ya que los autores logran crear un catálogo, referido a la ingeniería de puentes desarrollada por él, que tuvo su máxima expresión en la propia ciudad de Matanzas y en los diferentes ramales ferroviarios que diseñó; obras todas ejecutadas en un tiempo que hoy parece imposible de alcanzar. Palabras clave: Puentes, Conservación, Patrimonio industrial Abstract: This research collects in one document, the best work of one of the main architects of Matanzas as a city and the initial industrial development achieved in the nineteenth century, for demarcation.

DrC. Ing. Luis R. González Arestuche, Ing. C. J. Rolo Pico, Arq. Rubén A. Delgado Rodríguez. Catálogo de los puentes proyectados por Jules Sagebien en la provincia de Matanzas.

Revista de Arquitectura e Ingeniería. 2014, Vol.8 No.3 ISSN 1990-8830 / RNPS 2125

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Respect for the conservation and rescue of built heritage in today's province, for their high values: historical, cultural and technological, considers the need for citizen knowledge about the activity of the French Jules Tavernier Sagebien. Since 2009, various institutions and associations promote from France and here in Cuba, studying their accomplishments. This paper aims to go beyond the above observations, since the authors manage to create a catalog, based on bridge engineering developed by him, which had its peak in the city of Matanzas and the various railway lines he designed; all works executed in a time that now seems impossible to achieve. Keywords: Bridges, Conservation, Industrial heritage Introducción: En junio de 2009, como parte de las celebraciones por el 220 aniversario de la Revolución Francesa, el periodista y escritor francés Jacques Béal impartió una interesante conferencia en la Casa Víctor Hugo, de la Oficina del Historiador en la Ciudad de La Habana, titulada “Revolución Industrial: de Jules Sagebien a la actualidad”. Así la Asociación Cuba Cooperación Francia y la Sociedad Nacional de Ferrocarriles de Francia-SNCF, conmemoraron la impronta de ese país europeo en el desarrollo del ferrocarril cubano. En realidad los aportes más reconocidos por quienes han estudiado la obra edificada de Jules Sagebien contemplaron, la restauración y diseño de plazas, acueductos, edificios públicos, teatros, iglesias, estaciones ferroviarias; no solo trabajando para La Habana y Matanzas sino también en Cienfuegos, Santiago de Cuba y Trinidad. Así no ha sucedido con las importantes obras civiles en que intervino. En la obra de Alicia García Santana y Julio Larramendi Joa "Matanzas. La Atenas de Cuba" en el epígrafe 2.1.5. Los ferrocarriles, no se dan todos los detalles, con un enfoque más hacia la ingeniería de puentes, de la importante obra realizada por este francés que debe ser objeto de conocimiento y estudios más detallados. En ello va implícita también la labor desarrollada, antes que para los puentes ferroviarios, los que en temprana fecha, sugirió, diseñó y ejecutó para transeúntes, carretas, carretones y otro tipo de vehículos, en caminos y calles de ciudades, como son los casos de Matanzas, Colón y La Habana. Esta falta de información, avala la creación de un catálogo para facilitar el estudio de la mencionada obra, partiendo de informaciones existentes en diversos soportes, y de fuentes diferentes, sobre las catorce estructuras de puentes identificadas hasta la fecha. Con ello se propicia el conocimiento de sus aportes en ingeniería de puentes, al formar parte del valioso patrimonio construido durante la primera mitad del siglo XIX en la provincia de Matanzas. Así se contribuirá a la conservación y prolongación de la vida útil para las obras que aún existen. El valor principal tiene carácter histórico patrimonial, ya que por primera vez se catalogarán esos puentes dejando el testimonio documental de la significación y el valor de estos bienes inmuebles; y también un carácter social, al destacarlos como monumentos cuya vida útil deberá alargarse. Patrimonio cultural. La historia y la cultura se afirman en las memorias individuales de los integrantes de la sociedad y en las redes de significación, desarrolladas para entender y aplicar, de manera consecuente, la heterogeneidad de criterios y formas de actuación en que las personas, diferenciadamente preservan la estabilidad en las estructuras de sus modelos culturales, así como de las conductas comunitarias que responden a estos últimos. La ley de Protección al Patrimonio Cultural de la República de Cuba, del 4 de agosto de 1977, en su tercer por cuanto expresa que: “...es necesario emprender una acción educativa de ámbito nacional, encaminada a desarrollar en todo el pueblo un sentimiento de respeto al patrimonio nacional y, al propio tiempo, establecer las medidas de control indispensables y dictar las disposiciones legislativas



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conducentes a la conservación de los bienes culturales que integran o deben integrar dicho patrimonio”. Por otra parte, el Decreto Número 118 – Reglamento para la ejecución de la Ley de Protección al Patrimonio Cultural, del 23 de septiembre de 1983, en su Artículo 1, Inciso k, considera que: “El Patrimonio Cultural de la Nación está integrado por aquellos bienes, muebles o inmuebles que son la expresión o el testimonio de la creación humana”, planteándose también como bien cultural: “todo centro histórico urbano, construcción o sitio que merezca ser conservado por su significación cultural, histórica o social...”. Patrimonio industrial. Este tipo de patrimonio, por tanto, abarca no sólo los inmuebles de fábricas y talleres, estructuras arquitectónicas y maquinaría de producción sino también las vías de transporte y comunicación a través de las que llegaban las materias primas y se comercializaban los productos, considerando además sus elementos componentes: puentes, ferrocarriles y estaciones. A su vez se integran también las residencias, centros asociativos o ateneos y asistenciales de los trabajadores, (hospitales y sanatorios); los servicios públicos (mercados, escuelas e iglesias) y, en última instancia, los propios paisajes modificados por la actividad extractiva e industrial. Debe destacarse que en Latinoamérica, desde el año 2004 funcionan Comités de Conservación del Patrimonio Industrial. Los puentes y su herencia cultural en la ciudad de Matanzas. “La construcción de puentes en Matanzas, tuvo y ha tenido una connotación especial, y este tipo de obra ingeniera repercutió extraordinariamente en lo social y cultural, para la ciudad, entre los siglos XVIII y XIX” (González Arestuche y Recondo Pérez, 2011). “Los puentes sobre los ríos que atraviesan la ciudad se tornó como la academia en la cual se forjaron los constructores que legaron a las nuevas generaciones, la ciudad cubana con la arquitectura más significativa. Si para La Habana las fortificaciones fueron la escuela y el taller de quienes la erigieron; para Matanzas, son sus puentes” (González Arestuche y Recondo Pérez, 2011). En Cuba existía una importante tradición en la ingeniería de puentes, desde los primeros construidos en las villas fundacionales y de los cuales algunos han llegado hasta nuestros días. Metodología. Esta investigación pretende, en un primer resultado, el estudio analítico y el seguimiento de las obras civiles, específicamente los puentes, proyectados por el francés Jules Sagebien en la ciudad y provincia de Matanzas. En el año 1825, aparece el primer reporte de su actividad, referida a solucionar el cruce de los ríos entre los que fue fundada la urbe. Incluso hubo un momento, en que los tres puentes existentes fueron diseñados y ejecutados por este brillante constructor. En 1837 se decidió derribar el puente existente para erigir el conocido como puente de Bailén1, con tres arcos de cantería y suficiente ancho en su calzada. Este fue proyectado y construido por Sagebien quien residía en esa fecha en Matanzas. En el año 1841, según plano topográfico de la ciudad, los tres puentes existentes en sus dos ríos fueron diseñados por Jules Sagebien. El de La Carnicería, cerca de la Plaza del Mercado, y el de Bailen, los dos

1 El área entre la Plaza de la Vigía y la entonces Calzada de Burriel (después, de Tirry) se denominaba entonces

como de Bailén. A esa obra dedicó José Jacinto Milanés su poema De codos en el puente.



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sobre el río San Juan; y en el Yumurí, el puente de la calle Magdalena. Fuente: elaboración propia. Sobre plano en Archivo Nacional de Cuba. Intendencia General de Hacienda. Legajo 388 # 21. Para la provincia, se consideran, obras proyectadas en el ferrocarril de Matanzas a la Sabanilla (1840-1842), Prolongación del ferrocarril de la Sabanilla a Unión de Reyes (1848), Prolongación del ferrocarril de Júcaro a Banagüises-San José de los Ramos (1849) y en el de Colón-Manguito-Amarillas (1849-1852). Se presentan informaciones sobre otras importantes obras, que no existen pero que fueron plasmadas en documentos de diferente soporte y origen, llegados hasta nuestros días. Sin duda, que todos estos puentes son competentes en materia del patrimonio histórico y arqueológico, amén de que también debían ser parte de la política medio ambiental territorial, regenteada por el Ministerio de Ciencia Tecnología y Medio Ambiente de la República de Cuba. El medio estudiado. Se registran parcialmente, hasta el momento en que se realiza esta investigación, catorce puentes, diseñados o ejecutados por Sagebien para el territorio de la actual provincia de Matanzas.

1. Puente sobre el arroyo de Pedro Las Viñas. 2. Primera variante sobre el río Canímar. 3. Segunda variante sobre el río Canímar. 4. Puente de la Carnicería (de madera) en el río San Juan. 5. Puente sobre el río San Juan. 6. Puente-represa sobre río Canímar. 7. Puente de Bailen sobre el río San Juan. 8. Puente de la Carnicería en el río San Juan. 9. Alcantarilla a la salida del poblado de Cidra. 10. Puente sobre río Cochino, en Colón. 11. Puente sobre el río San Andrés. 12. Puente en la calle Magdalena sobre el río Yumurí. 13. Puente sobre arroyo Naranjo, entre Guareiras y Manguito. 14. Puente sobre arroyo Palmillas, entre Banagüises y San José de los Ramos.

Collage con planos, grabados y fotografías de los catorce puentes en estudio. Fuente: elaboración propia.



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Algunos existen como un hecho físico, incluso tres están localizados en vías férreas que continúan explotándose. Así de este modo queda establecido que el medio estudiado considera:

Puentes diseñados que no se ejecutaron: 5 Puentes ejecutados que ya no existen: 4 Puente existente en vía desactivada: 1 Puentes en explotación: 3 Puente del que no se tienen elementos aún para ubicarlo: 1

Así todo puede declararse desde este momento, que los puentes existentes no han sido sometidos a remodelaciones o adaptaciones de consideración, manteniendo sus elementos originales, fundamentalmente para la subestructura. Las catorce estructuras documentadas, presentan características bastante homogéneas y en ellas queda demostrada la capacidad para el análisis estructural de su autor, quien a partir de las experiencias adquiridas por su amplísimo e inteligente quehacer, pasó del uso de la madera a la cantería y sillería, alcanzando puentes que mantuvieron un signo neoclásico, tal cual la enorme cantidad de edificios que ejecutó y que se mantienen en explotación, para Matanzas y diferentes ciudades del país. Proceso. Los puentes para carreteras o vías urbanas proyectados ya no existen. La metodología aplicada no considera la posibilidad de realizar un estudio exhaustivo para las vías férreas en sí mismas, sino solo para los puentes que fueron proyectados por Jules Sagebien y que se mantuvieron en su diseño original. Es decir no se tratan los que fueron adaptados en un alto por ciento, con pérdida de sus valores histórico-patrimoniales, o los que fueron sustituidos, ante la necesidad de modernización de las redes ferroviarias. En resumen la metodología aplicada incluye, ante todo, el diseño de la ficha individualizada que se aplicará. El criterio establecido para elaborar el catálogo considera tres aspectos esenciales, en cuanto a la información:

Recopilación documental. Documentación arquitectónica y gráfica. Elaboración del catálogo, propiamente dicho.

Recopilación documental. No es numerosa la información documental de los archivos en Cuba, sobre el tema tratado. De hecho en el Archivo Histórico Provincial de Matanzas, la información existente es muy limitada, al menos a la que se pudo acceder en el momento que se realizaba esta investigación. Para los años que abarca este estudio desde su inicio, los documentos generados, por las instancias de aquel entonces, se encuentran en escaso número en el Archivo Nacional de Cuba-ANC, formando parte del Fondo No. 260-Mapas y Planos. Estos documentos están referidos a los planos generales de las obras, que plasman las ideas del concepto planteado por el autor (Jules Sagebien), para los puentes propuestos. En el sentido anterior, también hubiera sido de altísimo interés la revisión de los documentos gráficos con el diseño de las vías en que estuvieron enclavados los puentes, así como de las memorias descriptivas escritas, lo cual no fue posible, para todos los casos. Mucho menos se dispuso de documentos en los cuales existiese información sobre la construcción y la conservación de los mismos en su explotación. En realidad como otro tipo de documentación, se contó con periódicos de la época y sus pequeñas alusiones al desarrollo de los trabajos de construcción y a las frecuentes afectaciones que sufrían, sobre todo los puentes en la ciudad de Matanzas durante los ciclones y huracanes. Resultó muy beneficioso el hecho de disponer, una bibliografía que tocaba aspectos sobre la obra de Jules Sagebien y los puentes de la ciudad de Matanzas. Las más oportunas fueron las debidas a García Santana-Larramendi Joa (2009), y a González Arestuche-Recondo Pérez (2009 y 2011).



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El propósito de esta recopilación documental y bibliográfica está motivado por la necesidad de realizar una aproximación histórica de las obras en estudio, atendiendo además a sus características constructivas y funcionales en su explotación. Documentación arquitectónica y gráfica. Previamente se elaboró una ficha primaria (provisional), que recogía la documentación arquitectónica (dimensional y característica) con los datos físicos esenciales de la obra de fábrica, independientemente a su condición anterior o actual. Esta ficha fue aplicada a la totalidad de puentes en estudio (14), con el objetivo de volcar en ella los testimonios disponibles del trabajo de gabinete realizado, antes de visitar las obras existentes (4) y a manera de tener un documento único, aunque preliminar, que contuviera la información que se tenía recopilada entonces. Trabajo de campo. La labor considerada, después de vencida la recopilación documental, fue la recogida de los datos de campo para las obras existentes (4). Se realizó una visita puntual a cada una de las estructuras. Por otra parte y como complemento a las mediciones y descripciones captadas, se tomaron fotografías con el estado actual del puente. Se realizan también croquis acotados sobre la elevación, secciones y planta. A su vez se revisó si aparecían o no remodelaciones en las diferentes etapas de la explotación. Toda la información obtenida de este trabajo de campo, fue posteriormente procesada para la elaboración del catálogo, propósito principal y único de esta investigación Para el resto de las obras (10) se realizó un estudio y trabajo de gabinete pormenorizado. En el caso específico de las cuatro que no existen, se utilizaron técnicas informáticas diversas, asociadas al dibujo, que relacionan las imágenes disponibles, con otros elementos del contexto. Así de una manera aproximada se completó la etapa correspondiente a la documentación arquitectónica y gráfica. Catálogo. En la primera sección del catálogo, para los puentes que existen (4) se tendrá: La redacción de la ficha individualizada de cada puente en estudio.

La información histórica. La información arquitectónica. La información gráfica. Valoración preliminar del estado de la obra.

Ahora bien, el catálogo contendrá otras secciones en las cuales se darán informaciones relativas al resto de los proyectos (10). Para este caso se asume una estructura de presentación, adecuada a las disponibilidades pero insistiendo fundamentalmente en la que resultó de la recopilación documental. En esta fase se realizó el ordenamiento de toda la información documental resultante del trabajo en el gabinete y el campo. Definitivamente para el estudio de los catorce puentes, se elaboró una ficha que contempló los aspectos que se relacionan a continuación:

Denominación. Localización geográfica: Municipio, situación, plano y coordenadas. Tipo. Características funcionales. Data o fecha. Documentación arquitectónica. Descripción general. Documentación gráfica: Alzado o Elevación, planta y secciones.



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Comportamiento en el tiempo. Estado de la conservación. Fotografías actuales.

Ejemplo del catálogo: Puente sobre el río San Andrés, en la prolongación del Ferrocarril de la Sabanilla a Unión de Reyes. Denominación: Estructura P.02 Localización geográfica:

Municipio actual: Unión de Reyes. Situación: en la entrada al pueblo de Unión de Reyes. Coordenadas geográficas: X = 444,70 Y= 330,20

Tipo: obra pública civil, en vía. Características funcionales: Esta estructura da paso al caudal del río San Andrés. En la actualidad el cauce en la zona del cruce está modificado, por la acumulación de deposiciones sucesivas que no han sido retiradas durante años. No se detectan estructuras posteriores a la construcción original del puente. Data o fecha: 1848. El 11 de julio, el periódico La Aurora de Matanzas anunciaba la noticia de que fue concluido el “puente de tres ojos que construye el ferrocarril de la Sabanilla…”. Documentación arquitectónica:

Luz del arco central: 15,51 m Luz de los arcos laterales: 10,74 m Longitud total: 43,20 m Flecha de los arcos: 2,15 m Altura del puente: 7,00 m Ancho total del tablero: 8,20 m Altura de pretiles: 1,00 m Perfil de la vía: horizontal.

Descripción general: Atendiendo a su estructura es del tipo isostática. Tiene tres luces, la central es de mayor longitud que la de los extremos. Cuenta con tres vanos y es un puente de tramo recto múltiple. Formada su superestructura por tímpanos rellenos, con arcos rebajados. Esta forma estructural está realzada por el uso de platabandas y clave. Las pilas y los estribos originales son masivos, construidos con piedra labrada, al igual que en los arcos. Consta de elementos ornamentales que recalcan su influencia neoclásica. La piedra fue trabada, entre sí, con un mortero de cal y arena. Documentación gráfica determinada y configurada (alzado o elevación y planta), atendiendo a la información del trabajo de campo. Todas las dimensiones están expresadas en milímetros.

Elevación del puente sobre el río San Andrés. Fuente: elaboración propia.



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Planta del puente sobre el río San Andrés. Fuente: elaboración propia. Comportamiento en el tiempo: No se dispone de información posterior pertinente al respecto, desde que el 16 de febrero de 1938 especialistas del Distrito Matanzas de la entonces Secretaría de Obras Públicas, visitan el lugar para estudiar y proponer la solución para la reparación de un problema detectado e informado a la instancia superior por los intendentes de la zona.

Nótese que la base inferior del cimiento de la primera pila, a la derecha, está separada del terreno subyacente en un valor no admitido para el funcionamiento normal de esta vía férrea. Las grandes velocidades alcanzadas en el cauce del río, producto a intensas lluvias durante los últimos huracanes, provocaron el incremento gradual de la socavación en la pila del lado Matanzas. Fuente: cortesía de Juan de las Cuevas Toraya. Estado de la conservación: Existe deterioro de los elementos ornamentales. A pesar del franco abandono a que ha estado sometida esta estructura, es asombroso su estado. Su apariencia todavía es grata. Excesiva presencia de vegetación en las estructuras componentes, la cual debe ser retirada. El emplazamiento se ha convertido en un depósito de escombros y basura. Pérdida de algunos fragmentos de sillería en las defensas cerca del acceso al puente. Fotografías actuales:

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ingeniero “de oficio”3, más activo en las construcciones ferroviarias de esta primera época. En el récord de Sagebien se inscriben la dirección de obras en seis importantes empresas ferroviarias.

11. Los aportes de Jules Sagebien en la concepción, diseño, dirección facultativa y ejecución de obras civiles, fue tan importante como la desplegada para edificios.

12. Las estructuras que se recogen en este catálogo, además de su valor como elementos singulares de importantes vías, algunas de ellas en explotación, representan un testimonio histórico del auge económico de la Isla de Cuba, entre los años 1825-1865, y más que ello, es una elocuente muestra del importante papel desempeñado por el francés Jules Sagebien, quien transitó desde los primeros puentes en madera, madera-sillería y sillería, con notables aplicaciones, a la altura de los más importantes ingenieros de su tiempo, al menos para Hispanoamérica.

13. Las soluciones aportadas y que están disponibles y documentadas en este catálogo, son consecuencia de la importante unificación de criterios, sobre tendencias de estilos constructivos y la aplicación de novedosas tecnologías, aplicadas por su autor, tanto para las obras en estudio (puentes, fundamentalmente en los sistemas ferroviarios), similares en su connotación como a las del vasto patrimonio edificado que legó en los más importantes campos y ciudades cubanas.

Recomendaciones:

1. Ampliar este trabajo, en coordinación con los Centros de Educación Superior-CES

vinculados, a los territorios donde fue también pródiga la impronta de Jules Sagebien en la concepción, proyección y ejecución de importantes vías férreas.

2. Propiciar el intercambio con los organismos interesados, para obtener la protección de los sitios en que se enclavan los puentes que forman parte de este catálogo y que aún existen, independientemente a que estén o no en vías en explotación.

3. Divulgar este primer resultado por los medios de comunicación masivos de la provincia de Matanzas.

4. Establecer relaciones con la Casa Víctor Hugo de la Oficina del Historiador de La Habana, a fin de que se conozca el Catálogo, amén de que se instrumente y apoye por esa importante institución cultural, la continuidad de esta investigación.

Bibliografía:

• CUBA.Decreto Número 118 –Reglamento para la ejecución de la Ley de Protección al Patrimonio

Cultural. 23 de septiembre de 1983. • CUBA. Ley No. 1. Ley de Protección al Patrimonio Cultural de la República de Cuba. 4 de agosto

de 1977. • CUBA. Ley No. 2. Monumentos nacionales y locales. 1977. • CUEVAS TORAYA, Juan. 500 años de construcciones en Cuba. Madrid: Chavín. Servicios

Gráficos y Editoriales, S.L., 2001. ISBN: 84-607-3159. • Dossier de la Exposición Jules Sagebien, un ingeniero francés en Cuba. Casa Víctor Hugo.

Habana Vieja. 2009. • GARCÍA BLÁNQUEZ, Luis A. y MARTÍNEZ SÁNCHEZ, Consuelo. Catálogo de puentes,

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3 Según los autores de esta investigación, Sagebien aunque no resultó graduado como ingeniero civil, demostró

serlo de oficio.



11

• GARCÍA SANTANA, Alicia. Matanzas la Atenas de Cuba. Ciudad de Guatemala: Ediciones Polymita S.A. y Sevilla, España: Escandón Impresores, 2009. ISBN: 99922-965-4-2.

• GONZÁLEZ ARESTUCHE, Luis Roberto y MACÍAS MESA, José Alfonso. Historia de la Ingeniería Civil. Enfoque Cuba. Matanzas: Imprenta Universidad de Matanzas Camilo Cienfuegos. 2011. 340 p.

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Habana: Editorial de Ciencias Sociales, 1987.


Controles preventivos del cumplimiento de especificaciones. Preventive controls for compliance with specifications.

Ing. Reynaldo Sarria Hernández. Ingeniero civil Departamento de Construcciones de la Facultad de Ingenierías de la Universidad de Matanzas “Camilo Cienfuegos”. Cuba Teléfono: (45) 256782 DrC. Arq. Regino A. Gayoso Blanco Arquitecto Centro Técnico para el Desarrollo de los Materiales de la Construcción, La Habana. Cuba Ing. Ernesto J. Díaz Bring. Ingeniero civil Empresa de Construcciones Militares, Matanzas. Cuba

Recibido: 15-04-14 Aceptado: 02-07-14 Resumen: Disminuir los consumos de cemento sin detrimento de la calidad es una de las acciones que se toman en la rama constructiva para lograr disminuir las emisiones de gases efecto invernadero que provoca su proceso de producción. Internacionalmente se utilizan materiales puzolánicos residuales de la generación de electricidad o de la electrónica, que tienen altos precios en el mercado. Para Cuba esta solución resulta atractiva a partir de contar con fuentes nacionales. El presente trabajo avala el comportamiento puzolánico de la zeolita natural en la producción a gran escala de hormigones de altas prestaciones. Se confirma el empleo de la zeolita producida actualmente en las empresas geomineras como material cementante suplementario en la producción típica de hormigones del país, lo cual constituye una fuente de ahorro considerable de cemento al elevar los valores de rendimiento a la unidad. La resistencia potencial a compresión es un parámetro definitorio no sólo desde el punto de vista estructural, sino también para los términos contractuales de la comercialización del hormigón elaborado, de lo cual se infiere la relevancia de su correcto juzgamiento. Numerosas condiciones inherentes a los materiales, y a los procesos productivos y de control de calidad pueden hacer que la resistencia que se desea juzgar, resulte en la realidad más o menos alejada de la condición potencial. Este trabajo da a conocer métodos de trabajos para juzgar la conformidad de su producción en planta respecto a los parámetros especificados. Palabras clave: Hormigón, Zeolita, Puzolánicos,

Ing. Reynaldo Sarria Hernández, DrC. Arq. Regino A. Gayoso Blanco, Ing. Ernesto J. Díaz Bring. Controles preventivos del cumplimiento de especificaciones.


Abstract: Reduce cement consumption without compromising quality is one of the actions taken in the construction industry to achieve lower emissions of greenhouse gases causing their production process. Internationally residual pozzolanic materials for generating electricity or electronics, which have high market prices are used. For Cuba this solution is attractive from having national sources. This work supports the pozzolanic behavior of natural zeolite in large-scale production of high performance concretes. The use of zeolite currently produced in geomining companies as a supplementary cementitious material in concrete production typical of the country is confirmed, which is a source of considerable saving of cement to increase performance values to the unit. The potential compressive strength is a defining parameter not only from the structural point of view, but also to the contractual terms of marketing elaborate concrete, which the relevance of proper judgment is inferred. Numerous conditions inherent to materials, and the production and quality control processes can cause the resistance to be judged, resulting in reality more or less away from the potential condition. This work provides methods of work to judge the conformity of its production plant for the specified parameters. Keywords:, Concrete, Zeolite, Pozzolanic, Introducción: El patrimonio construido por el hombre está constituido en un 90% de hormigón, cuyo componente principal es el cemento. Tanto la producción como el consumo del cemento y el hormigón, se asocian con el nivel de desarrollo de un país, sin embargo ellos son también responsables de la degradación ambiental del planeta, debido fundamentalmente a la explotación intensiva de recursos no renovables -materias primas y combustibles-(RNR), y la emisión de grandes volúmenes de gases de efecto invernadero (GEI). La tendencia al crecimiento de la producción de cemento mundialmente y con ello, las emisiones que provoca el calentamiento global y el cambio climático, ha incentivado transformaciones en el proceso de producción del cemento, lo que ha motivado disminuir la temperatura de combustión, aumentar la reactividad del cemento, variar su composición de fases y disminuir los contenidos de clínquer en el cemento La industria del hormigón, paralelamente a la del cemento Pórtland, ha introducido mejoras, se destacan el desarrollo industrial de la producción y colocación de hormigón, la aplicación de aditivos químicos combinado con adiciones de materiales cementicios suplementarios tales como, cenizas volantes, escorias siderúrgicas, micro sílice, puzolanas naturales y artificiales que mejoran las propiedades del hormigón en estado fresco y endurecido, con el incremento de la durabilidad y la resistencia mecánica. Estas acciones contribuyen a la disminución del uso de clínquer y con ello a disminuir las emisiones de GEI. Sin duda las políticas de calidad y ambiental deben ser consideradas en la actualidad como dos pilares básicos en todo tipo de industrias. Hace una década, en la mayor parte de las empresas no eran tenidas en cuenta como herramientas fundamentales para la organización y toma de decisiones, siendo hoy en día temáticas ineludibles para toda actividad, a la cual no escapan las plantas de hormigón. Calidad y ambiente, son indispensables en toda forma de elaboración de hormigón en la actualidad. Entre todos los materiales empleados en la construcción, el hormigón es el que presenta mayor variabilidad en sus propiedades y en las características de materiales constituyentes, con lo cual el aseguramiento de la calidad es una labor continua y que debe ser trabajada de acuerdo a procedimientos específicos y por personal competente.



En cuanto al medioambiente, es conocido que el hormigón es el segundo material que más consume el hombre después del agua, y con ello se constituye en una industria que requiere de manera urgente toma de conciencia de su incidencia sobre el ambiente. Tanto en la extracción y manufactura de materias primas, como en las tareas en la planta elaboradora de hormigón (depósito y manipulación de materiales constituyentes, dosificación, mezclado, manejo de sobrantes, reutilización del agua de mezclado, aprovechamiento energético, emisión de polvos y ruidos, etc.), debe existir una conciencia en minimizar los impactos sobre el entorno, pudiendo lograr así que el hormigón se convierta en un material sustentable y ambientalmente amigable. En las últimas décadas se ha producido un rápido avance en el conocimiento y la tecnología del hormigón, lo que ha permitido la apertura de nuevos horizontes, cada día más amplios, para la utilización en gran escala de este material constructivo tan tradicional. El hormigón premezclado, en sus diversas variedades de utilización, desde la fabricación de pequeñas unidades a los grandes módulos volumétricos de tamaño de una habitación, que se producen en algunos países de gran desarrollo tecnológico, pasando por sistemas pesados a bases de grandes paneles, todos contribuirán no solo a que el hormigón siga siendo el material más ampliamente utilizado, sino que proporcionaran al hombre la más eficaz herramienta para combatir las agudas necesidades de viviendas y de construcción de todo tipo prevista. Con la expresión hormigón premezclado, se denomina genéricamente a los hormigones preparados en centrales situadas fuera de la obra en que van a ser utilizados, y mezclados, bien en dicha planta, bien durante su traslado a la obra, o bien parcialmente mezclados en la central y terminados de amasar en el camino hacia el lugar de utilización. El hormigón premezclado no es un hormigón diferente, ni un producto “nuevo”, aunque sea recientemente su utilización en gran escala, generalizando su uso a partir de 1970, creciendo exponencialmente en el tiempo. Este progreso se incremento en primer lugar porque la industria de la construcción debía evolucionar en general hacia el logro de una mayor calidad en sus realizaciones, es esencialmente un producto de gran calidad, y no podría tener lugar en una industria de la construcción apegada a métodos y procedimiento prácticamente artesanales, carente de preocupación por la uniformidad del producto utilizado por el control de la calidad del mismo. Solo cuando estas premisas han llegado a ser una exigencia se ha podido desarrollar la industria de los hormigones preamasados. Pero también era necesario llegar a un conocimiento más profundo del comportamiento y de la influencia de los distintos componentes del hormigón, sobre las propiedades de la mezcla antes como después de su fraguado. Por otra parte, la fabricación de hormigón cada día más científica y especializada, y la necesidad de un control sistemático y completo a todos los niveles, desde el almacenamiento de los componentes a la elaboración de producto, obligarían a las empresas a la adquisición y mantenimiento de maquinaria cada vez más variada y cara. La provincia de Matanzas actualmente consta con uno de los planes de construcción de mayor importancia económica para el país, especialmente los servicios del polo turístico de Varadero son los máximos consumidores de hormigón, anualmente el volumen sobrepasa los 48 000 m3. El trabajo entre sus retos se propone estudiar el control en la producción de los hormigones que se producen en la empresa de hormigón de Varadero con el uso combinado de adiciones minerales naturales y aditivos superplastificantes, que ratifique el desempeño de conformidad de los áridos calizos matanceros lo que posibilita mejoras económicas por concepto de transportación de áridos finos para la producción.



La actividad de producción en la industria del hormigón necesita urgentemente un cambio radical en la forma de promover el control de la producción en la elaboración masiva de hormigón; siendo imprescindible el camino de la investigación científica buscando eficiencia y eficacia; esta es la meta a la cual debemos dirigir todos nuestros esfuerzos. El presente proyecto permitirá en su aplicación, comprobar los criterios confiabilidad en la producción en la Empresa de Hormigón de Varadero, a partir de procedimientos detallados de control de la calidad con el uso combinado de aditivos químicos y adiciones de zeolitas cubanas. La producción de cemento Pórtland en Cuba se remonta a 1895 en la Habana con la primera fábrica de cemento gris tipo Pórtland, con una capacidad de producción de 6000 t anuales. En las primeras décadas del siglo XX una firma norteamericana instala una fábrica con capacidad de unas 200 t diarias la cual es modernizada y ya en 1927 alcanza una capacidad de unas 411 000 t anuales. En La Habana, entre los años 1950-60 se monta la fábrica “Compañía Cementos Nacionales S.A.”, con capacidad de 350 000 t anuales debido al aumento de la demanda del cemento por el crecimiento del volumen de construcciones que caracterizó la época y en 1957, la fábrica “Cemento Santa Teresa S.A.” con una capacidad de 180 000 t anuales (Cuevas Toraya, 2001) (7). Al triunfo de la Revolución la infraestructura necesaria para el desarrollo de los programas que se planteaban, requirió la ejecución de inversiones en las tres compañías productoras de cemento del país previamente nacionalizadas. Fruto de ello, en 1967 entra en operación la línea de procedencia rumana en la fábrica José Mercerón de Santiago de Cuba, en 1968 se pone en marcha la fábrica “26 de Julio” de Nuevitas, con 600 000 t anuales de capacidad y en la fábrica de cemento “Siguaney” con una capacidad total de 670 000 t. Del mismo modo se moderniza la fábrica de Artemisa, elevando su producción a las 620 000 t anuales. En 1980 en Cienfuegos se construye la moderna fábrica de cemento “Karl Marx”, con 1´650 000 t anuales de capacidad, y finalmente se moderniza la fábrica de cemento del Mariel, con el montaje de dos nuevos hornos, con una producción de 740 000 t al año cada uno (Cuevas Toraya, 2001) (7). La utilización de extensores del clínquer, empleando materiales puzolánicos comienza en septiembre de 1976 en la fábrica de Santiago de Cuba, empleando la mordenita del yacimiento Palmarito de Cauto y generalizándose en la década de 1980-90, en la fábrica de Cienfuegos, con el empleo de la clinoptilolita-heulandita del yacimiento Las Carolinas, para producir variedades de cemento Pórtland, conocidas como PP-350, PP-250 y CA-160 (Gayoso, 1976) (11, 13, 18, 24). Los programas sociales de la Revolución se mantienen y se desarrollan alternativas económicas para la producción de cemento a pesar de la recesión económica (Periodo especial); por un lado se produce cemento con la introducción de crudo cubano y por otro se produce un aglomerante alternativo: el popularmente conocido “Cemento Romano”, molienda conjunta de la cal y la puzolana en pequeños talleres. Como puzolanas se utilizaron tobas, tobas zeolitizadas, cenizas de bagazo y paja de caña disponibles en el país. Su producción se abandona a finales de los años 90 (Gayoso, 2004) (18, 12, 24). A partir de 1996 la producción industrial de cemento Pórtland comienza la recuperación de la industria deteriorada durante la recesión. No ha sido ajeno para Cuba las emisiones de GEI ni el uso racional de los portadores energéticos en la producción de cemento. Las principales acciones han sido el paso del proceso por vía húmedo a seco, la disminución del consumo de clínquer mediante la producción de cementos con extensores. Numerosas investigaciones se han realizado en este tema, destacándose el uso de intensificadores de molienda y la producción experimental de cementos belíticos desde la década de los años 80, incluso a escala industrial (Rabilero A., 1992) (18, 25). Las transformaciones alcanzadas con la tecnología del hormigón en el mundo, antes del año 1959, son introducidas en la fabricación de puentes con la utilización de los hormigones preforzados o postensionados, siendo rutina en la década del 50, hablar de los hormigones de resistencias



superiores a los 35.0 MPa y a los 49 MPa, como ejemplo se puede citar la ejecución de los proyectos de puentes postensionados, construidos sobre el río Las Cañas con 76 m de luz, Cuyaguateje con 96 m; el arco triarticulado de 114 m de luz, 50 m de flecha y vigas postensionadas de 22.50 m de luz, del puente Bacunayagua (Gayoso, 2004)(12). Antes del 1959 la producción de elementos prefabricados de hormigón, no superaba los 5,0 Mm3/año y bajo los lineamiento de industrializar la Construcción, trazado por la Revolución, se logran significativos incrementos de la capacidad industrial del prefabricado mediante la ampliación de los polígonos de producción, lográndose producir 797.6 Mm3 en 1975 (Gayoso, 2004) (12). En la década del 70 se destaca la introducción de la tecnología de producción altamente mecanizada de losas huecas de hormigón pretensadas de alta resistencia de origen canadiense conocida por Spiroll, y las traviesas de hormigón pretensado Cuba 71 para la rehabilitación del ferrocarril Central, producidas en los año 1974-1976 en moldes de hormigón, donde se utilizó por primera vez, en la escala industrial del prefabricado en Latinoamérica, el aditivo químico superplastificante sobre la base de naftaleno formaldehido sulfonado, Mighty 150, de la firma japonesa Kao Soap Co. A partir de esta experiencia se comienza el uso casuístico de aditivos superplastificante en la producción de hormigones y ya en la última década, después de asimilar por el grupo empresarial Perdurit la tecnología italiana de producción cooperada de aditivos de la firma Mapei, se generaliza el uso nacional de los aditivos químicos tanto en hormigones premezclados como prefabricados. Es de destacar la adopción de la norma NC 120 2000 Hormigón hidráulico. Especificaciones. La cual Incorpora en su contenido todos los elementos aplicables de la Norma Europea EN 206-1 2000 Hormigón Parte1: Especificación, comportamiento, fabricación y conformidad, desestimando los referidos a los Antecedentes y la Introducción debido a que no se corresponden con las características de esta Norma Cubana. Es una norma única de especificaciones para el hormigón hidráulico de cemento Pórtland, partiendo del concepto básico de que el hormigón tiene que cumplir en la estructura con un determinado desempeño tanto en resistencias mecánicas como en durabilidad (NC 120:2007) (40). Desafíos de la industria del hormigón en Cuba. Según reportes actuales, la producción de cemento con petróleo crudo cubano arroja índices de consumo de 149.2 kg de crudo por tonelada de clínquer producido. El consumo eléctrico está en el orden de 124.8 Kw por tonelada de cemento o clínquer producido (MINBAS, 2009). (37). En ambos casos los valores están ligeramente por encima de los promedios mundiales de consumo, lo que aparentemente se debe al envejecimiento de la tecnología, que es básicamente de los años 1970, aunque muchas plantas han sido parcialmente renovadas, en especial adaptadas para consumir crudo cubano y uso de intensificadores de molienda (Martirena, 2004)(18). Las emisiones totales de GEI alcanzan en el país las 1.179 Gt, donde el CO2 tiene el mayor aporte. En este año se produjeron en Cuba 22,9 kt de clínquer blanco y 1 622,3 kt de clínquer gris. Se reporta para estos valores de producción, emisiones de CO2 en el orden de 1 400 kt, lo que representa aproximadamente 0,85 t de CO2 por cada t de clínquer, correspondiendo con la media mundial. Hoy la producción de cementos mezclados está deprimida, sólo el 15 % de la producción nacional de cemento corresponde a PP-350, PP-250 y CA-160, conllevando a altos consumos de clínquer por tonelada de cemento (MINBAS, 2009) (37).

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de material cementicios se puede medir de forma razonablemente precisa, mantener una relación a/mc constante requiere fundamentalmente un control estricto de la cantidad total de agua utilizada. El método de ensayo normado por la AASHTO para determinar el contenido de agua del hormigón fresco mezclado utilizando el secado en un horno de microondas (TP 23) es un método de determinación del contenido de agua del hormigón fresco. La exactitud de este método de ensayo está aún bajo estudio. El ensayo puede ser útil para detectar desviaciones en el contenido de agua del hormigón fresco en el lugar de trabajo. Las variaciones en la resistencia son también influidas por el contenido de aire. El contenido de aire incorporado influye tanto en el requerimiento de agua como en la resistencia. Hay una relación inversa entre la resistencia y el contenido de aire. El contenido de aire de una mezcla específica de hormigón varía en dependencia de las variaciones de los materiales constituyentes, a la extensión del mezclado y a las condiciones ambientales del lugar. Para el control de un buen hormigón, el contenido de aire debe ser monitoreado cuidadosamente en el lugar de construcción. La temperatura del hormigón fresco afecta tanto la cantidad de agua necesaria para alcanzar la consistencia adecuada, como el contenido de aire incorporado. Además de esto la temperatura del hormigón durante las primeras 24 horas de curado puede tener un efecto significativo sobre las resistencias del hormigón a edades tardías. Los cilindros de hormigón que no están protegidos de las temperaturas fuera del rango especificado en la ASTM C31 puede que no reflejen con precisión la resistencia potencial del hormigón. Los aditivos pueden contribuir a la variabilidad, porque cada aditivo introduce otra variable y otra fuente de variación. La dosificación y el mezclado de aditivos debe ser cuidadosamente controlada. Los cambios en la demanda de agua están también asociados con las variaciones en la granulometría del árido. Las prácticas de construcción causarán variaciones de la resistencia en la resistencia en el lugar, debido a un mezclado inadecuado, una compactación inapropiada, demoras en el vertido, un inadecuado curado e insuficiente protección a edades tempranas. Estas diferencias no se reflejarán en los ejemplares fabricados y almacenados bajo condiciones normativas de laboratorio. Las prácticas de construcción pueden afectar los resultados de resistencia de los testigos, sin embargo ellos pueden ser perforados y ensayados cuando los resultados de los ensayos de resistencia no estén conformes con las especificaciones del proyecto. De esta forma, al producirse un hormigón bajo semejantes condiciones de empleo de materiales, tecnología y métodos de aseguramiento de la calidad, para una misma dosificación y una misma edad, la serie de resultados obtenidos de resistencia a compresión ofrece una data de valores de ensayos agrupados alrededor de un valor central, que alcanza una distribución normal de frecuencia. Una excesiva variación de la resistencia a compresión del hormigón, significa un nivel inadecuado de control y es indispensable tener en cuenta que el mejoramiento del grado de control se materializa en una reducción notable de costos del hormigón y de los consumos de cementos, ya que el valor central de la resistencia a compresión, en la distribución de frecuencia, puede ser llevado mucho más cerca a los requisitos especificados por el proyectista mediante la resistencia mecánica. Normas de control



Unos de los propósitos primarios de la evaluación de los datos de hormigón es identificar las fuentes de variabilidad. Este conocimiento puede entonces ser utilizado para ayudar a determinar los pasos apropiados para mantener el nivel deseado de control. Varias técnicas diferentes se pueden utilizar para detectar variaciones en la producción de hormigón, el procesamiento de los materiales y la manipulación y el contratista y las operaciones de la agencia de ensayos. Una simple aproximación es comparar la variabilidad total y la variabilidad interna del ensayo, utilizando ya sea la desviación típica o el coeficiente de variación, cuando sea apropiado, con el desempeño previo. Si la desviación típica o el coeficiente de variación es la medida apropiada de dispersión a utilizar en una situación dada depende de cuál de las dos medidas está más cercana a ser constante sobre un rango limitado de resistencias; sin embargo, varios estudios muestran que el coeficiente de variación es más cercanamente constante sobre un amplio rango de resistencias, especialmente las altas resistencias (Cook 1982; Cook 1989). La comparación del nivel de control entre las resistencias a compresión y a flexión es más fácilmente conducirla utilizando el coeficiente de variación. El coeficiente de variación es también considerado como estadísticamente más aplicable para las evaluaciones internas del ensayo (Neville 1959; Metcalf 1970; Murdock 1953; Erntroy 1960; Rüsch 1964 y la ASTM C 802). Tanto la desviación típica como el coeficiente de variación se pueden utilizar para evaluar el nivel de control de las mezclas de hormigón convencionales, pero para elevadas resistencias, generalmente las que exceden de 35 MPa, el coeficiente de variación es preferible. Las normativas de control dadas en la Tabla 1.2, son apropiadas para hormigones que poseen resistencias especificadas hasta 35 MPa, mientras que la Tabla 1.3 aporta las normativas apropiadas para resistencias especificadas por encima de 35 MPa. Estas normativas de control fueron adoptadas en base al examen y análisis de los datos de resistencia a compresión por el Comité 214 del ACI y el Comité 363 el ACI. Los ensayos de resistencia fueron conducidos utilizando probetas cilíndricas de 150 x 300 mm, que es la medida normativa establecida en la ASTM C 31. Las normativas de control son por lo tanto aplicables a estas dimensiones de especímenes, ensayados a los 28 días, y puede ser considerada aplicable con diferencias pequeñas a otras dimensiones de cilindros, tales como el de 100 x 200 mm, que está reconocida en el ASTM C 31 o son aplicables a los ensayos de resistencia sobre cubos o los ensayos de resistencia a flexión. Tabla 1.2 Normativas de control del hormigón para f´c ≤ 34,5 MPa Fuente: ACI 214-77

Variación total

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Variación interna del ensayo

Tipos de operación Coeficiente de variación para diferentes normativas de control, %


Ensayos de campo < 3,0 3,0 a 4,0 4,0 a 5,0 5,0 a 6,0 > 6,0

Pruebas de Laboratorio < 2,0 2,0 a 3,0 3,0 a 4,0 4,0 a 5,0 > 5,0



Tabla 1.2 Normativas de control del hormigón para f´c ≤ 34,5 MPa Fuente: ACI 214-77

Desarrollo: La campaña experimental que se desarrolla en relación a este trabajo pretende conseguir resultados válidos y significativos en el control del hormigones de altas prestaciones en la planta de premezclado en la Empresa de Hormigón de Varadero y confirmar el diseño implantado de acuerdo a la disertación realizada por el personal del CTDMC y de la proposición del proyecto estudiado por el Ing. Ernesto Díaz Bring y reafirmar el comportamiento de las buenas práctica con el uso de áridos matanceros en la elaboración de hormigones de altas prestaciones, y el comportamiento descriptivo dentro del pasta ante la presencia de arcilla y su consideración ante las cargas externas de acuerdo a su relación con la adherencia entre la interface árido-pasta en el hormigón hidráulico, además de la confirmación económica con el uso de zeolitas naturales cubanas y aditivos superplastificantes. La tarea experimental comenzó con la toma de muestra de hormigón a partir del mes de enero y los resultados archivados para una realizar una correlación de la implementación del nuevo diseño y el uso cada vez más aceptado de la aclimatación de las adiciones naturales a nivel industrial en las empresas de premezclado a lo cual la EHV es pionera en esta práctica. En correspondencia es de destacar que en cuba y casi todos los países de Hispanoamérica, la probeta normalizada para los ensayos de resistencia a compresión, es la probeta cilíndrica de altura nominal igual al doble del diámetro. La más generalizada es la de 150mm de diámetro y 300 mm de altura, válida para los hormigones con áridos de 38,1 mm de tamaño máximo. Es muy importante tener en cuenta que la data para efectuar los análisis descriptivos de la resistencia a compresión del hormigón debe siempre estar constituida por valores provenientes de un solo tipo de probeta. De igual forma, los métodos de preparación y tratamiento posterior de las probetas hasta la realización de los ensayos a rotura, deben ser los mismos para una misma data.

Variación total

Tipos de operación

Coeficiente de Variación para diferentes normativas de control. MPa


Ensayos generales en la construcción

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7,0 a 9,0

9,0 a 11,0

11,0 a 14,0

> 14,0

Pruebas de Laboratorio

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Variación interna del ensayo

Tipos de operación

Coeficiente de variación para diferentes normativas de control, %


Ensayos de campo

< 3,0 3,0 a 4,0 4,0 a 5,0 5,0 a 6,0 > 6,0

Pruebas de Laboratorio

< 2,0 2,0 a 3,0 3,0 a 4,0 4,0 a 5,0 > 5,0



Etapa 1. Se realizaran la toma de los materiales a llevar a cabo para el muestreo, siendo los seleccionados los áridos matanceros como continuación de la síntesis de investigaciones pasadas que demuestren la factibilidad de su empleo en la producción. El árido fino y grueso será los de la planta “Antonio Maceo” y también se utilizara árido fino de la “Planta Libertad”. Se efectuara los ensayos básicos que se tienen en cuenta en planta, como son la humedad superficial y tamiz 200 como requerimientos esenciales de realización. Etapa 2. Factibilidad técnico económica y consumación del resultado. Se realizará la estimación de los beneficios que aporta este resultado para los costos de la empresa y se realizaran las recomendaciones para implementar el resultado, verificando su efectividad Esquema aplicado al control de la calidad de la producción de hormigón. La base de la seguridad de las obras de hormigón masivo, está dada por la determinación correcta de la resistencia característica del hormigón, pues los proyectistas basan sus criterios de diseño en métodos probabilísticos, que requieren de un análisis estadístico previo del comportamiento del hormigón en las estructuras. La resistencia característica a la compresión del hormigón, se define en general como aquel valor de la resistencia a compresión por debajo del cual es esperable que se obtenga no más de un determinado porcentaje de la población de todas las posibles mediciones de resistencia del hormigón especificada. Pasos para efectuar la evaluación del inventario de los lotes de hormigón 1. Se parte de los ensayos individuales de rotura a compresión de las probetas de cada una de las series. La resistencia a compresión de cada probeta se calcula por:

donde:

F: Carga aplicada de rotura (KN)

A: Área de la sección transversal de la probeta (cm2)

2. Se calcula la resistencia a compresión de las series de probetas por:

Además se calcula el recorrido de la serie de probetas por:



3. Se calcula la resistencia media a compresión del hormigón del lote por:

4. Se calcula la desviación típica interna del ensayo (Within Test) por: donde : 1/d2 = Constante que depende del número de probetas promedios de la serie, tal como indica tabla 2.1. Tabla 2.1 Valores de d2 en función del número de probetas. Fuente: ACI 214R:02

Número de probetas de la serie

d2 1/ d2

2 1.128 0.8865 3 1.693 0.5907 4 2.059 0.4857 5 2.326 0.4299 6 2.534 0.3946 7 2.704 0.3698 8 2.847 0.3512

5. Se calcula el coeficiente de variación interno del ensayo (Within Test) por:

Tabla 2.2 se muestran los valores limites de V1 para diferentes grado de control. Tabla 2.2 Valores limites de V1 para diferentes grados de control Fuente: ACI 214R:02



6. Se calcula la desviación típica del lote por:

Y:

donde: S2: Desviación típica de amasada, sin incluir las variaciones propias del muestreo, preparación, tratamiento, curado y ensayos de probetas. 7. Se evalúa la anormalidad tanto de valores individuales de resistencia a la compresión de las probetas como de las mismas probetas.

donde:

R'bs1 = Valor de serie que se considera sospechosa, en MPa.

8. En el caso en que se hayan sido depurados ciertos valores de ensayos individuales de probetas, o del conjunto de series, se recalcula la resistencia media a compresión y la desviación típica del lote, por las expresiones ya indicadas.

9. Se calcula la resistencia característica obtenida del lote por:

donde:

Z: Parámetro que depende de la fracción defectuosa permisible y cuyos valores han sido indicados en la tabla 2.3.



Tabla 2.3. Valores de fracción defectuosa (%) en función de Z. Fuente: ACI 214R:02

10. Fracción defectuosa obtenida del lote.

11. Se evalúa la uniformidad del hormigón del lote, a partir de su desviación típica, comparándolos con los valores de la tabla 2.4.

Tabla 2.4 Valores de SL (MPa) para diferentes grados de control Fuente: ACI 214R:02

Luego:

12. La aceptación del hormigón del lote, queda entonces establecidas por la condición:



El hormigón que se requiere en las obras de Varadero, suministrado por la Empresa de Hormigón de Varadero, tiene que cumplir con resistencia característica de f’c= 30 MPa. Estos hormigones son elaborados generalmente en las plantas “Las Morlas’’, las que cuenta con el software DOSAT en la dosificación automatizada, una mezcladora tipo forzada, de 1m3 de capacidad, y la transportación y entrega en carros trompos. La EHV produce también hormigones en la planta ‘’Las Palmeras’’ que cuenta igualmente con el software DOSAT en la dosificación automatizada y ejecuta el proceso de mezclado y entrega del hormigón en carros ‘’trompos’’. Actualmente la EHV es una de las de mayor producción de hormigón en el país, sus niveles alcanzan alrededor de los 36 000m3 anuales. Uno de los inconvenientes que tiene la empresa que los productores de sus principales materias primas como la arena no suplen todas la necesidades de consumo, además como consecuencia de esto se ven forzados a buscar en otras zonas como son los centros de producción en la provincia de Cienfuegos, esto también está dado porque existen ciertos hitos de la contribución de los materiales pétreos existentes en la provincia. Particularmente las arenas constan de cierta tendencia a especular que poseen altos contenidos de arcilla debido a su coloración rojiza, que comúnmente son criticadas de poseer altos contenidos de partículas no deseadas en el hormigón, y de exaltar en grado superlativo los áridos naturales de los centros de producción de Cienfuegos, que generalmente cumplen con las propiedades geométricas de granulometría, pero estas poseen un inconveniente que, debido a la forma redondeada de sus partículas existe mucha menor adherencia entre las mismas comparadas con los áridos triturados, también es conocido que debido a su fuente de obtención que comúnmente se encuentran en las márgenes de los ríos, trae como consecuencia la adhesión de cierto recubrimiento no visibles a la vista que afecta la resistencia mecánica del hormigón. Debido a estas consecuencias se realizo en colaboración con el Centro Técnico para el Desarrollo de los Materiales de la Construcción (CTDMC) y el trabajo de diploma del Ingeniero Ernesto Díaz Bring, el cual se corroboro que las producciones industriales de arena por las Empresas de Materiales de Matanzas presentan productos que aunque no cumple la granulometría puede ser utilizados en la producción de hormigones durables, además que los incrementos en resistencia que se produce con el empleo de la combinación con los áridos finos de nuestros centros de producción en hormigones en comparación con los áridos naturales de la provincia de Cienfuegos origina que se alcancen rendimientos por transportación de arenas en la EHV, logrando sustentabilidad del proceso de producción de resistencia típica en nuestro país. Todo esto siendo necesario el uso de aditivos químicos súperplastificantes para logra mantener las relaciones agua/cemento + puzolanas que garanticen la coherencia y lavorabilidad del hormigón sin detrimento de la durabilidad. La nueva alternativa permitió un ahorro potencial de 591 261.84 en ambas monedas solo por concepto de transportación. La valoración del impacto potencial en valores que tiene la EHV se estima a partir del cálculo unitario del hormigón y del beneficio total para cada marca de resistencia característica, sobre la base de las materias primas utilizadas para la producción, (cemento, aditivo, agregados). Evaluando la sustitución de arenas de nuestros contornos nos conlleva a los siguientes resultados, ver datos en tabla 2.5.



Tabla 2.5 Costo por transportación Fuente: Empresa de Hormigón de Varadero (2013)

El estudio de la aplicación de los áridos finos de los centros de producción Matanzas con la adición de zeolitas se realiza bajo el concepto de rendimiento del cemento y costo por transportación con vistas a contribuir al ahorro del cemento, abaratar el costo del hormigón y el aporte que este hecho hace al medio ambiente. Como añadidura se tienen las bondades en cuanto a las prestaciones (durabilidad y resistencia) que alcanza los materiales de estudio de nuestra provincia. Los materiales utilizados en las mezclas de hormigón son:

• Cemento Portland ordinario de la fábrica Mariel marca P-350 • Arena tratada de las plantas Antonio Maceo • Granito fracción 10-5 mm de la planta Antonio Maceo. • Gravilla fracción 19-10 de la planta Antonio Maceo. • Aditivo Mapeplast N 100 de la marca Mapei, producido por el Grupo Industrial Perdurit. • Zeolita natural de Tasajera.

Las adiciones químicas actúan en la fluidez, pero también actúan en la dispersión del cemento aumentando con ello la posibilidad de reacción de hidratación y dando como efecto el incremento de las resistencias por este concepto. La producción nacional de aditivos es fundamentalmente de base naftaleno formaldehido sulfonado. En el caso Cuba, los áridos en su mayoría son obtenidos por trituración y clasificación de rocas calizas, por ello ocasionan un gran desvío en la granulometría, referido a Bolomey, Ferret o Fuller, demandando mayor cantidad de pasta (cemento). El método de diseño de hormigones desarrollado y patentado por O’rrelly basado en los vacíos mínimos tiene en cuenta estos aspectos y corrige estas limitaciones mediante la determinación de las características a y b de los áridos y realiza una fuerte experimentación en el laboratorio que minimiza los errores. La metodología de diseño recomendado en la guía ACI 211.1R, parte del criterio del mínimo vacío, que los áridos finos tienen módulos de finura inferiores a 3.10 y las curvas granulométricas de todos los agregados son generalmente muy cercanas a la idealidad. Los ensayos en general realizados en el laboratorio son los comunes que se hacen a nivel de plantas su objetivo tendrá como resultados determinar si la dosificación de los hormigones a partir de un procedimiento de composición granulométrica continua será válido para reducir los costos por transportación de ardidos finos, además de reafirmar los requisitos de conformidad en el uso combinado de zeolitas cubanas y aditivo superplastificantes. Los trabajos comenzaron en enero hasta completar el número mínimo de series que se necesitan para un control aceptable en planta, serán 30 series bajo un mismo patrón de muestreo.

Datos de transportación EHV

Origen Destino Material Distancia. (Km)

Tarifa p/m3 Consumo Anual (m3) MN CUC

Coliseo Las

Morlas Arena

52 8.58 3.90 19 548 Limonar 67 11.06 5.03 Arimao 230 37.95 17.25

13 032 Canal 241 39.77 18.08



Ensayos. Humedad superficial de la arena:

Esta determinación es de capital importancia en la puesta a punto en la elaboración de la mezcla, ya que permite determinar la cantidad de agua que humedece el grano con el objeto de tenerlo en cuenta para el ajuste de los materiales componentes en las amasadas de hormigón.(anexo 7) Si se hace caso omiso a la humedad de los áridos y en particular de la correspondiente a la arena se cometería errores, a veces de importancia en la dosificación de los materiales tanto por peso como por volumen y por tanto su incidencia directa en la resistencia de la mezcla, en la conformación de elementos, etc. Para la determinación de la humedad superficial se desarrollara el método de desecación en estufa, un procedimiento clásico de referencia que mayor influencia tiene en el comportamiento reológico de las mezclas. Se basa en tomar una muestra de arena (500g), se pesa y se coloca en una estufa a temperatura entre 100 y 110 °C donde se mantiene hasta que no se precie variación alguna en el peso final de la muestra. Figura 2.1

Fig. 2.1 Representación de los estados de humedad de los áridos. Fuente: Ganoso y Rosa (2007). La NC 184:2002 establece el procedimiento que debe seguirse para la determinación de la humedad superficial de la arena, en referencia normativa de la ASTM C-70-94 Test Method for Surface Moisture in Fine Aggregate. Determinación del material más fino que el tamiz de 0.074mm. Este procedimiento se utiliza para determinar la cantidad total de finos existentes generalmente adheridos a las partículas de los áridos, que pasan por el tamiz de 0,074mm (No. 200). Consiste en determinar la masa inicial de una muestra de ensayo, separar el material fino mediante lavado y tamizado, y expresar la perdida de material respecto a la masa inicial, entendiéndose por finos las porciones que pasa a través del tamiz de 0,074mm (No. 200). La norma cubana que regula el procedimientos equipos y herramientas es la NC 182:2002 referencia de la ASTM C 117-95 Test for Materials Finerthan 0,074mm (N.200) Sieve in Mineral Aggregate by Washing. Dosificación utilizada. La dosificación utilizada certificada por el CTDMC en cuestión de la resistencia característica f’c=30 MPa con la introducción de zeolitas que aparecen la tabla 2.5, con las combinaciones de áridos de los centros de producción de Coliseo “Planta Antonio Maceo” y “Planta Libertad” del municipio de Limonar.



Tabla 2.5 Diseño de hormigón en planta para 1m3. Fuente: Elaborada por el autor.

Materiales Coliseo Limonar

Cemento Pórtland (Kg) 325 325 Árido Fino (Kg) 974 994 Granito (Kg) 244 226 Gravilla (Kg) 656 656 Zeolita (Kg) 70 70 Agua (L) 178 176 A/C+P 0.42 0.42 Aditivo N 100 (L) 5.6 3.4

El ajuste del agua de amasado, mediante determinación a la humedad total de los áridos, aplicando la NC 755:2010. Debe efectuarse sistemáticamente antes de comenzar la producción diaria de los hormigones en la planta determinadas en el laboratorio presente en la planta, de manera que la cantidad de agua utilizada en la mezcla está afectada por un aumento de aproximadamente de 2 litros de absorción de los agregados en promedio para las combinaciones por amasada. Como requisito práctico se establece que, el asentamiento de las mezclas, controlado con el ensayo de asentamiento del cono Abrams, es de 120 a 170 mm, que se pretende lograr con el uso necesario de aditivo en las muestras de, el aditivo N 100 RC, sin variaciones de la relación A/C establecida en el diseño de la mezcla, la empresa consta de algunas tecnologías de hormigonado en algunas obras que la plasticidad del concreto requerida para la colocación mediante cubo con el aditamento de manguera, izado por las grúas, con el fin de lograr la penetración del hormigón compactado, con agujas vibratorias, dentro de los encofrados metálicos, conteniendo el acero de refuerzo y las instalaciones, garantizando con este asentamiento la descarga de los trompos en la obra Se corroboro durante la prueba la eficacia del empleo de la adición de zeolita para disminuir el consumo de cemento y lograr las mismas resistencias. La reducción fue de 100 Kg de cementos por cada m3, aproximadamente un ahorro potencial anual de .3 600 tn, con rendimiento en el diseño de 0.92. El comportamiento de la reacción puzolánica de las zeolitas naturales con productos de hidratación del cemento Pórtland se evidencia con el incremento significativo de la resistencia a la edad de 28 días, siendo su incremento exponencial al transcurso del tiempo. Las probetas fueron identificadas para el adecuado orden en el control de la investigación. La resistencia a compresión será ensayada a las edades de 7 y 28 día. Serán 2 probetas por edad a los 7 días y 2 probetas por edad a los 28 días

Elaboración y resultados en hormigones. Los resultados obtenidos presentada su metodología de trabajo sirvieron de base las dosificaciones desarrolladas en sucedidas investigaciones que forman parte del estudio de esta indagación. Una de las formas de demostrar la eficacia de los áridos finos y el uso de materiales cementicios y su correcto control. Los ensayos realizados fueron a partir del 2 de enero del 2013 hasta el 21 de enero del mismo año, según los métodos especificados en capítulo anterior.



Se realizaron un total de 120 probetas de 150 x 300 mm, con dos muestras por edad, a los 7 y 28 días, para un total de 30 series de acuerdo a las especificaciones mínimas de control en plantas. Para preparar el hormigón elaborado en las plantas “Las Morlas’’, las que cuenta con el software DOSAT con la dosificación automatizada aprobada por el CTDMC, con una mezcladora tipo forzada, de 1m3 de capacidad, y la transportación y entrega en carros trompos. La cantidad de amasadas propuestas son las necesarias aleatoriamente la cual completen las 30 series que se pretenden comprobar en el marco de nuestra investigación. Todas las probetas se compactan por vía manual por el personal técnico capacitado, y se mantienen en tanque de curado en inmersión a 25ºC y 100% de humedad y controladas, hasta la edad de ensayo. En las amasada se tuvo en cuenta asentamiento exigido para la colocación en obra que es lo que se exige por el cliente para su correcta utilización, para eso se requirió añadir aditivo en la magnitud de 6l/m3 (0.9% de la masa de cemento). Una vez fijado este valor se realizan las repeticiones, obteniendo los asentamientos que se observan en la tabla 3.1. En las series estudiadas se ha mantenido puntualiza la consistencia de trabajo, es decir el asentamiento ha sido constante en los valores 100 y 150 mm pesar de la diferencia en la composición de sólidos, y se demuestra que puede ser controlada con el uso de aditivo químico. Tabla 3.1 Dispersión de la consistencia en planta. Fuente: Elaborada por el autor.

Las resistencias obtenidas a las diferentes edades en las amasadas para los diferentes periodos de estudios que abarcan 3 años para un total de 480 valores a comparar que aparecen en el Anexo 1,2 y 3. Los resultados estadísticos obtenidos a partir de la aplicación de la NC 192:2005 (ver anexo 4) nos demuestran que la desviación interna del ensayo (St), desviación del lote (SL) y desviación entre amasadas (S2

2) tienen valores que hacen válido estadísticamente la experimentación. La resistencia característica obtenida es 37,9 MPa, mayor que lo diseñado en 2,9 MPa.

0

50

100

150

200

0 10 20 30 40Asentam

iento en

mm

Amasada 2013

Dispersión de la consistencia en planta.

Valores Y



Se tomaron los resultados almacenados por periodo de 2 años a partir del momento en que se comenzó con el uso combinado de adiciones al material cementante para lograr economía en el consumo de cemento e incrementar la resistencia y la durabilidad en los hormigones elaborados en la planta. En el año 2012 se comenzaron los primeros intentos de estudios en la introducción de zeolitas naturales cubanas siendo la EHV pionera en estas investigaciones, como parte de indagaciones conjunta con el Centro Técnico para el Desarrollo de los Materiales de la Construcción, en el anexo 1 se representa los resultados a partir del año 2011 sin uso de zeolita y como se incrementan los resultados de resistencia mecánica media y característica obtenidos en todas las ensayos (ver anexo 5), sin incluir las series del año 2011 que no se añaden puzolanas el rendimiento es muy bajo (anexo 6). De similar modo ocurre entonces con el rendimiento de cemento obtenido en todas las series, también se demuestra que no es necesario la transportación por criterio de resistencia de las arenas de nuestro contorno más cercano; sino que realmente los mitos acerca de las mismas son solo suposiciones de su textura muchas veces mal vista Se resalta que para las series con el uso de zeolita incrementa la resistencia mecánica, como resultado de su reactividad puzolánicas y efecto en el refinamiento de poros muestran su eficacia al aumentar el rendimiento del cemento a la unidad (anexo 6). Es importante destacar que los valores de la relación A/C es teniendo en cuenta los valores de la absorción de los materiales que intervienen en el proceso en dependencia de cada centro de producción. Los resultados de resistencia mecánica media y característica obtenidos en todas las corridas, son superiores a lo planificado en el diseño. De igual modo ocurre entonces con el rendimiento de cemento obtenido en todas las series es superior al de diseño (0,8). La generalización actualmente trajo como resultados para la EHV un ahorro potencial de 31.150,3 t de cemento. Que en valores asciende a 1.590.720,6 CUC. Por concepto de transportación se deducen ahorros referidos a 107 carros silos menos anualmente. Se resalta que para las series con el uso de zeolita como MCS el incremento de la resistencia mecánica, como resultado de su reactividad puzolánica y efecto microfiller muestran su eficacia al aumentar el rendimiento del cemento a la unidad. La resistencia característica media obtenida fue de 33.0MPa para la serie sin el uso de zeolitas en el año 2011 y se incrementan a 36,5 MPa para la series modelos del 2012 cuando se comenzó a utilizar la adicción puzolánica y ya para el muestreo realizado en este año la resistencia característica alcanza valores superiores a 40 MPa lo cual reporta rendimientos de cemento de 0,73, 1.04 y 1,16 respectivamente (Tabla 3.2). Tabla 3.2 Rendimiento de cemento. Fuente: Elaborada por el autor

0.73

1.041.16

0

0.5

1

1.5

2010.5 2011 2011.5 2012 2012.5 2013 2013.5

Rend

imiento de

cem

ento

Año

Comportamiento del rendimiento de cemento a 28d

Valores Y



Es notable el incremento de las resistencia de las series con zeolitas a los 28 días, respecto a la serie sin la adición de materiales cementicios complementarios (Tabla 3.3), Tabla 3.3 Posibilidad en el uso de zeolita naturales cubanas. Fuente: Elaborada por el autor.

Los resultados estadísticos obtenidos a partir de la aplicación de la NC192:2005 nos demuestran que la desviación interna del ensayo (St) Tabla. 3.4, desviación del lote (SL) y desviación entre amasadas (S2

2) tienen valores que hacen válido estadísticamente la experimentación. Los resultados a compresión axial de los hormigones con combinaciones de áridos finos de Matanzas son los esperados en y se manifiesta las excelentes propiedades mecánicas de nuestros materiales. Tabla 3.4 Clasificación de las desviación de las muestras (ACI214-02). Fuente: Elaborada por el autor.

El monitoreo de la desviación típica total puede también aportar la percepción de los cambios del nivel de control o la variabilidad de la producción de las materias primas para el suministrador del hormigón, y de acuerdo a la tabla 3.4 la variabilidad en general del suministrador del hormigón es buena.

33.0

36.537.9

32.034.036.038.040.0

2010.5 2011 2011.5 2012 2012.5 2013 2013.5

Resisten

cia (M

Pa)

Año

Perspectiva del uso de zeolita

Sin zeolita

Con zeolita

Con zeolita

2011 sin zeolita

2012 con zeolita

2013 con zeolita

7 dias 4.76 3.02 3.93

28 dias 4.57 2.68 2.48

Regular Buena BuenaRegular Buena Buena

0246

Desviación de

las mue

stras

Años

Desviación típica de las muestras (St)

7 dias

28 dias



La estimación de la variación debido al ensayo, la desviación interna del ensayo tal como se discutió en el Capitulo 2, la variación combinada debido a la variación de las materias primas y la producción, que puede ser denominada la variabilidad del suministrador o del productor, se puede determinar conociendo la desviación típica total y la desviación interna del ensayo. La variabilidad del productor, medida por la desviación típica, es la raíz cuadrada de la diferencia del cuadrado de la desviación típica total (St) y la desviación interna del ensayo (S1) (ver tabla. 3.5) El suministrador que en lo adelante se concebirá como la EHV, puede estar al tanto directamente de la variabilidad de la producción, como la desviación interna del ensayo es razonablemente consistente, lo que representa que se cuenta con un buen programa de ensayos (ver tabla 3.5), con estos fundamentos se pueden seguir las pistas de la desviación típica total que al ser efectivos nos indican que no es necesarios indicar cambios ya sea en las materias primas en la producción del hormigón que en este caso son la introducción de zeolitas cubanas a nivel industrial de producción y el uso de áridos finos matanceros los cuales preceden de un comportamiento contrario a lo demostrado en laboratorios, y son por lo tanto herramientas confiables de la EHV, siendo los valores confiables con coeficiente de variación internos de las muestras los esperados ver tabla 3.6. Tabla 3.5 Desviación entre los ensayos (ACI214-02). Fuente: Elaborada por el autor.

2011 sin zeolita 2012 con zeolita 2013 con zeolita

7 dias 0.52 0.83 0.86

28 dias 1.83 1.97 0.68

0

0.5

1

1.5

2

2.5

Desviación de

los ensayos

Años

Desviación típica del ensayo (S1)

7 dias

28 dias



Tabla 3.6 Clasificación del coeficiente de variación interno (ACI214-02). Fuente: Elaborada por el autor.

Conclusiones:

1. Los incrementos en resistencia que produce el empleo de la zeolita como MCS en hormigones originan que se alcancen rendimientos de cemento de la unidad e incluso mayores, con garantía de durabilidad expresada por la compacidad. Las reservas nacionales de zeolita y la industria asociada a ella, así como las potencialidades de yacimientos e industrias, brindan la posibilidad de su utilización generalizada logrando economías de cemento y sustentabilidad del proceso producción de hormigón de resistencias típicas del país.

2. Es necesario el uso de aditivo químico superplastificante para lograr mantener las relaciones agua/cemento+puzolana que garanticen la coherencia y laborabilidad del hormigón sin detrimento de la durabilidad. La producción nacional de aditivos superplastificantes, garantizan la implementación del uso de la zeolita como material cementicios suplementario.

3. La generalización del uso de la zeolita como MCS en la producción de hormigón industrializado es factible técnica y económicamente con el empleo de la zeolita. Están creadas las condiciones para ejecutar la transportación de la zeolita a los centros de producción en silos de cemento. Se requieren inversiones en las plantas para la asimilación tecnológicamente confiable, referidas fundamentalmente a silos para almacenamiento y software para la dosificación automática.

2011 sin zeolita 2012 con zeolita 2013 con zeolita

7 dias 2.19 3.05 2.92

28 dias 5.55 1.82 1.79

exelente

muy bien exelente

regular

exelente exelente

0

1

2

3

4

5

6

Desviación de

los ensayos

Años

Coeficiente de variación(V)

7 dias

28 dias



4. El manejo y control del uso de la zeolita en la producción de hormigón premezclado a nivel industrial se realizó en la Empresa de Hormigón de Varadero, donde se ejecutaron las inversiones necesarias y han producido para este trabajo de diploma, (15 días de trabajo del mes de enero), 210 m3 de hormigón con adiciones de zeolita para diferentes obras.

5. La generalización permite un ahorro potencial de 31.150,3 t de cemento. Que en valores asciende a 1.590.720,6 CUC. Por concepto de transportación se deducen ahorros referidos a 107 carros silos menos anualmente.

Recomendaciones:

1. Continuar de manera acelerada la aplicación generalizada de la zeolita como MCS en la producción de hormigón industrializada del país de manera que se logre un manejo eficiente del cemento (rendimientos iguales a la unidad) y los portadores energéticos en la rama de las construcciones.

2. Divulgar el conocimiento de la aplicación de la zeolita como MCS en el MICONS para que el programa de generalización sea llevado a cabo con rigor científico que garantice el resultado satisfactorio de esta innovación.

3. Revisar la normativa cubana referida a los materiales puzolánicos para definir claramente los requisitos y especificaciones, en función de las propiedades de las fuentes de puzolanas nacionales disponibles (zeolita).

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Anexo 1 Muestreo de hormigón de la EHV 2011

SABANA DE MUESTRO EN OBRA 2011

7 días 28 días No. Muestras

R No. Muestras

R 1 2 3 1 2 3

28,0 27,1 26,5 27,2 1,5 37,5 37,2 36,4 37,0 1,1 27,1 26,8 26,3 26,7 0,5 36,9 36,6 35,8 36,4 1,1 27,7 27,1 26,5 27,1 0,6 36,9 36,6 36,1 36,5 0,8 29,7 29,4 29,4 29,5 0,3 39,2 39,0 37,8 38,7 1,4 18,8 18,2 17,6 18,2 1,2 27,7 26,8 26,3 26,9 1,4 16,4 16,2 15,9 16,2 0,5 26,0 25,7 24,8 25,5 1,2 17,9 17,6 17,0 17,5 0,9 26,5 26,3 25,7 26,2 0,8 14,7 14,4 14,1 14,4 0,6 25,1 23,9 23,1 24,0 2,0 21,4 20,8 20,8 21,0 0,6 30,3 29,7 28,9 29,6 1,4 24,2 23,7 23,1 23,7 1,1 32,3 32,0 31,5 31,9 0,8 17,6 17,0 16,7 17,1 0,9 31,5 30,9 29,7 30,7 1,8 28,0 27,1 26,8 27,3 1,2 36,6 35,8 35,8 36,1 0,8 29,7 29,1 28,3 29,0 1,4 38,7 38,1 37,2 38,0 1,5 29,1 28,6 27,7 28,5 1,4 39,0 38,4 37,5 38,3 1,5 15,3 15,3 14,7 15,1 0,6 25,7 25,1 24,2 25,0 1,5 22,1 22,8 22,2 22,4 0,7 34,3 33,5 33,2 33,7 1,1 29,4 29,1 28,9 29,1 0,5 38,1 37,2 36,6 37,3 1,5 26,3 26,0 25,4 25,9 0,9 39,2 39,0 38,1 38,8 1,1 29,4 29,1 29,1 29,2 0,3 39,2 38,4 37,5 38,4 1,7 24,2 23,9 23,4 23,8 0,8 33,8 33,2 30,3 32,4 3,5 22,8 22,8 22,2 22,6 0,6 33,5 33,2 32,3 33,0 1,2 20,8 20,5 20,2 20,5 0,6 29,7 28,9 28,3 29,0 1,4 20,5 20,5 19,9 20,3 0,6 33,2 32,9 32,3 32,8 0,9 21,5 20,5 19,9 20,6 1,6 29,1 28,9 28,6 28,9 0,5 22,2 21,4 21,1 21,6 1,1 31,2 30,6 30,3 30,7 0,9 29,1 28,9 28,6 28,9 0,5 36,9 36,4 36,1 36,5 0,8 21,4 20,8 20,5 20,9 0,9 30,3 29,4 29,1 29,6 1,2 24,8 23,9 23,1 23,9 1,7 34,6 33,8 33,2 33,9 1,4 30,6 30,0 29,4 30,0 1,2 38,4 37,5 37,2 37,7 1,2 30,0 29,4 29,1 29,5 0,9 38,1 38,1 37,5 37,9 0,6

Σ 23,6 0,87 33,0 1,27 S 4,76 0,38 4,57 0,54 S1 0,52 1,83 S2 4,73 4,19






R No. Muestras

R 1 2 3 1 2 3

21,5 20,9 19,8 20,7 1,7 32,6 31,7 31,2 31,8 1,4 23,2 22,6 22,1 22,6 0,5 32,8 32,3 31,1 32,1 1,7 31,1 31,1 30,6 30,9 0,5 41,9 40,7 41,3 41,3 0,6 27,2 26,0 24,9 26,0 1,2 36,2 34,5 34,0 34,9 2,2 30,0 29,4 28,9 29,4 1,1 38,5 37,9 36,5 37,6 2,0 30,6 30,0 30,0 30,2 0,6 40,7 39,6 38,5 39,6 2,2 24,9 23,8 23,2 23,2 1,7 34,0 33,4 32,8 33,4 1,2 24,9 24,3 23,2 24,1 1,7 34,0 34,5 35,1 34,5 ‐1,1 30,0 28,3 28,3 28,9 1,7 37,9 37,4 36,2 37,2 1,7 24,3 23,8 23,2 23,8 1,1 34,0 33,4 32,8 33,4 1,2 25,5 24,3 23,2 24,3 2,3 35,7 34,5 33,4 34,5 2,3 31,7 30,6 29,4 30,6 2,3 39,6 39,1 38,5 39,1 1,1 30,6 30,0 28,9 29,8 1,7 39,6 38,5 37,4 38,5 2,2 29,4 28,3 27,7 28,5 1,7 39,1 39,1 38,5 38,9 0,6 28,3 27,2 28,1 27,9 0,2 37,9 37,4 37,3 37,5 0,6 31,7 31,7 30,6 31,3 0,0 40,2 39,6 39,1 39,6 1,1 30,0 28,3 28,3 28,9 1,7 38,5 37,9 37,4 37,9 1,1 25,5 24,9 24,3 24,9 1,2 34,0 33,4 32,8 33,4 1,2 30,6 30,0 29,8 30,1 0,8 40,7 39,6 38,5 39,6 2,2 24,3 23,8 22,6 23,6 1,7 33,4 32,8 31,7 32,6 1,7 23,8 23,2 22,6 23,2 1,2 32,8 32,3 32,3 32,5 0,5 30,6 30,0 29,4 30,0 1,2 38,5 37,9 38,2 38,2 0,3 24,3 23,8 22,6 23,6 1,7 35,1 34,0 33,4 34,2 1,7 27,7 26,6 26,0 26,8 1,7 36,8 36,8 35,7 36,4 1,1 29,4 28,9 27,7 28,7 1,7 38,5 37,4 36,8 37,6 1,7 31,7 30,6 29,4 30,6 2,3 40,7 39,6 39,1 39,8 1,6 26,6 25,5 24,9 25,7 1,7 36,8 36,2 35,1 36,0 1,7 28,9 28,3 27,2 28,1 1,7 38,5 37,9 36,8 37,7 1,7 28,3 27,2 27,2 27,6 1,1 37,9 37,4 36,2 37,2 1,7 31,7 30,6 29,4 30,6 2,3 40,2 39,1 38,5 39,3 1,7

Σ 27,2 1,40 36,5 1,36 S 3,02 0,60 2,68 0,71 S1 0,83 1,97 S2 2,90 1,81






R No. Muestras

R 1 2 1 2

22,6 22,1 22,4 0,5 31,7 31,1 31,4 0,6 35,1 34,0 34,6 1,1 42,8 41,9 42,4 0,9 39,6 39,1 39,4 0,5 46,4 45,8 46,1 0,6 39,6 39,1 39,4 0,5 47,6 47,0 47,3 0,6 31,7 30,0 30,9 1,7 40,7 39,6 40,2 1,1 33,4 31,7 32,6 1,7 39,6 38,5 39,1 1,1 34,0 32,3 33,2 1,7 40,7 39,6 40,2 1,1 28,9 28,3 28,6 0,6 36,2 35,1 35,7 1,1 23,2 22,1 22,7 1,1 32,8 31,7 32,3 1,1 31,7 30,6 31,2 1,1 40,7 39,1 39,9 1,6 26,6 26,0 26,3 0,6 34,5 34,0 34,3 0,5 28,9 27,2 28,1 1,7 36,2 35,7 36,0 0,5 29,4 28,3 28,9 1,1 37,8 37,2 37,5 0,6 31,1 30,0 30,6 1,1 39,8 39,4 39,6 0,4 33,4 32,8 33,1 0,6 42,1 41,9 42,0 0,2 33,4 32,3 32,9 1,1 42,8 42,0 42,4 0,8 33,4 32,3 32,9 1,1 42,4 41,3 41,9 1,1 23,2 22,1 22,7 1,1 31,7 31,1 31,4 0,6 23,8 23,2 23,5 0,6 33,4 32,8 33,1 0,6 23,8 22,6 23,2 1,2 32,8 32,3 32,6 0,5 31,7 31,1 31,4 0,6 39,0 38,5 38,8 0,5 34,0 32,8 33,4 1,2 41,9 40,7 41,3 1,2 32,8 32,3 32,6 0,5 41,3 40,8 41,1 0,5 30,6 29,4 30,0 1,2 39,6 38,5 39,1 1,1 34,5 34,0 34,3 0,5 43,0 42,4 42,7 0,6 23,8 22,6 23,2 1,2 32,8 32,8 32,8 0,0 28,3 27,3 27,8 1,0 38,5 37,9 38,2 0,6 22,6 22,1 22,4 0,5 31,7 30,6 31,2 1,1 26,0 24,9 25,5 1,1 35,1 34,6 34,9 0,5 22,6 22,1 22,4 0,5 32,3 31,1 31,7 1,2

Σ 29,3 0,97 37,9 0,76 S 3.93 0,40 2,48 0,35 S1 0,86 0,68 S2 2,83 2,38



Anexo 4 Tabla resumen de los resultados estadísticos por años.

Variables 2011 2012 2013 7días 28días 7días 28días 7días 28días

S1 0,52 1,83 1,97 0,86 O,86 0,68 S2 4,73 4,19 1,81 3,83 3,83 2,38 V 2,19 5,55 1,82 2,92 2,92 1,79

Donde: S1 : Desviación típica interna del ensayo. S2 : Desviación típica de amasada a amasada. V : Coeficiente de variación.

Anexo 5 Ventaja de la zeolita en la resistencia a compresión.

33.0

36.5

37.9

32.0

33.0

34.0

35.0

36.0

37.0

38.0

39.0

2010.5 2011 2011.5 2012 2012.5 2013 2013.5

Resisten

cia (M

Pa)

Año

Perspectiva del uso de zeolita

Sin zeolita

Con zeolita

Con zeolita



Anexo 6 Rendimiento del cemento.

Anexo 7 Humedad superficial de los áridos.

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

2010.5 2011 2011.5 2012 2012.5 2013 2013.5

Rend

imiento de

cem

ento

Año

Comportamiento del rendimiento de cemento a 28d

Valores Y

Código Humedad superficial (%)Arena Coliseo 1.4 Arena Limonar 1.3 Gravilla Coliseo 0.1


Almacén de Datos para la Gestión Energética en el Ministerio de la Agricultura. Data Warehouse for Energy Management in the Ministry of Agriculture.

MSc. Yudi Castro Blanco Profesora Asistente

Universidad de Granma, Bayamo, Granma, Cuba. Telf: 45 22 08 Email: [email protected] Ing. Eric Ismael Leonard Brizuela Profesor Instructor

Universidad de Granma, Bayamo, Granma, Cuba, Telf: 48 16 49 Email: [email protected] Dra. Yolanda Soler Pellicer Profesora Titular

Universidad de Granma, Bayamo, Granma, Cuba, Telf: 42 20 80 Email: [email protected] Recibido: 07-07-14 Aceptado: 09-09-14 Resumen: En la presente investigación se realiza un Data Mart para apoyar a los directivos del Ministerio de la Agricultura en Cuba en la toma de decisiones, debido al volumen de información que genera el control de portadores energéticos. La implementación del Data Mart incluye el proceso de extracción, transformación y carga de los datos desde una base de datos relacional a una multidimensional, utilizándose el esquema constelación, se empleó como estructura representativa de los datos el cubo multidimensional y como metodología de desarrollo se integraron las metodologías HEFESTO y Data Warehouse Engineering Process. El Data Mart permite obtener información comprensible y detallada, elevando el nivel de eficiencia desde el punto de vista organizativo, de control, analítico y económico, alcanzando mayor rapidez al tomar decisiones gracias a la disponibilidad de información tanto actual como histórica, validándose mediante el criterio de expertos como viable y con calidad para su puesta en práctica. Palabras clave: Almacén de datos, Repositorio de Datos, Portadores energéticos, Inteligencia de negocio.

MSc. Yudi Castro Blanco, Ing. Eric Ismael Leonard Brizuela, Dra. Yolanda Soler Pellicer. Almacén de Datos para la Gestión Energética en el Ministerio de la Agricultura.


Abstract: In the present investigation comes true a Data Mart to back up the executives of the Ministry of the Agriculture in Cuba in decision making, due to the volume of information that generates the control of energetic bearers. The Data Mart's implementation includes the process of extraction, transformation and loads of the data from a relational database to a multidimensional one, being used the sketch constellation, the multidimensional cube was used as representative structure of the data and as methodology of development integrated methodologies HEPHAESTUS and Data Warehouse Engineering Process. The Data Mart enables obtaining comprehensible and detailed information, lifting the level of efficiency from the point of sight organizational, of control, analytical and economic, attaining bigger speed when as much to take decisions thanks to the availability of information present-day like historic, becoming validated by means of the opinion of experts like viable and with quality for implementation. Keywords: Data warehouse, Data Mart, Energetics bearers, Business intelligence. Introducción: Contar con la información necesaria para el proceso de toma de decisiones es fundamental en el ambiente altamente competitivo que viven las empresas en la actualidad. Las organizaciones involucradas en este proceso frecuentemente encuentran un obstáculo con el gran volumen, complejidad y heterogeneidad de la información disponible desde sus variados sistemas operacionales y de producción (1). Respondiendo a esto muchas organizaciones utilizan la Inteligencia de Negocios o Business Intelligence (BI), herramienta mediante la que pueden apoyar la toma de decisiones basadas en información precisa y oportuna, al aprovechar los datos almacenados en las bases de datos de los sistemas transaccionales; garantizando la generación del conocimiento necesario que permita escoger la alternativa que sea más conveniente para el éxito de la empresa (2-4) Una de las actividades más significativas en el ámbito de BI, para apoyar la toma de decisiones, lo constituye el diseño y construcción de los almacenes de datos o data warehouse (DW), que surgieron en la década del 90 del siglo pasado, conocidos como “una colección de datos orientados a un ámbito (empresa, organización), integrada, no volátil y variante en el tiempo, que ayuda al proceso de los sistemas de soporte de decisiones (DSS)” (5). Desde la perspectiva de Kimball y Caserta, la construcción de un DW organizacional debe pasar por la construcción de un Data Mart (DM). Un DM es un subconjunto lógico del DW orientado a áreas específicas de la organización, estos DM unidos generan el DW en su totalidad. (6). En Cuba desde hace algunos años se vienen desarrollando investigaciones y aplicaciones basadas en el uso de los DW y DM. El creciente desarrollo de la gestión del conocimiento en las empresas y en las instituciones cubanas ha propiciado que los especialistas iniciaran la introducción de herramientas como estas, para elevar sus niveles de eficiencia desde el punto de vista organizativo, de control, analítico, económico y para dar solución a los problemas que se presentan con el análisis de grandes volúmenes de información actual e histórica en apoyo a los procesos de toma de decisiones. Tundidor, Medina, Nogueira y González (2010) citan algunos ejemplos entre los que se encuentran el DW de CIMEX S.A para la gestión de inventario, compra y venta; el DM de la comercializadora Cuba RON para la gestión de ventas; el DM de TRD Caribe para la gestión de ventas; el DM de CUBACEL para la facturación; el DM de Transtur para la gestión de ventas; y varios DM de la EMPAI para la gestión del Capital Humano, la gestión Contable, la gestión de Inventario y de Operaciones. (7)



Las organizaciones reconocen que al usar las herramientas que utilicen BI, se facilita la obtención y almacenamiento de enormes cantidades de datos y, por ende, la toma de decisiones(8); a pesar de esto existen sectores y empresas del país que no lo emplean, incluso cuando se les dificulta tomar decisiones precisas por contar con mucha información o porque esta sea inconsistente o no existente. En esta situación se encuentra el Ministerio de la Agricultura (MINAG) en Cuba (9). El MINAG se dedica a la producción agrícola para satisfacer las necesidades alimentarias de la población. En la realización de los trabajos agrícolas se emplean equipos de maquinaria y transporte los cuales consumen portadores energéticos que deben ser racionalizados, no solo para mejorar la economía de la empresa y el país, sino también por la situación ecológica y económica en que se encuentra inmerso el planeta, exigiéndose una gestión eficiente para emplear solo los portadores energéticos necesarios (10). Aunque se ha avanzado con la utilización de sistemas de procesamiento de transacciones (OLTP- On Line Transaction Processing) para la gestión energética como el AnaExplo (11), CEMaq (12), Energex (13) y COPEMET(14), no se resuelven todos los problemas de análisis de datos pues estos sistemas no ayudan de forma eficiente (mostrando gráficos y reportes estadísticos que incluyan el análisis histórico de los datos y en tiempo real) en la toma de decisiones de los directivos de la empresa; necesitándose una propuesta que incluya estas facilidades, es por eso que en esta investigación se propone la creación de un DM que satisfaga estas necesidades. Materiales y Métodos: El desarrollo de software no es tarea fácil, como resultado a esto ha surgido una alternativa: la metodología. Las metodologías imponen un proceso disciplinado sobre el desarrollo de software con el fin de hacerlo más predecible y eficiente (15). Hoy en día existen varias propuestas metodológicas que inciden en distintas dimensiones del proceso de desarrollo de un DM para facilitar la realización de nuevos proyectos y reducir su complejidad(16). Cada una de estas metodologías están marcadas por características particulares que las hacen diferentes, la elección de una o varias de ella para la construcción de un DM debe ser estudiado cuidadosamente. Para determinar la metodología adecuada para extraer conocimiento a partir de los datos que dispone una empresa mediante la construcción de un DM se realizó un estudio de diferentes metodologías entre las que cuentan: Ciclo de vida Kimball (17), DWEP (18), KM-IRIS (19), la propuesta de Trujillo (20), Rapid Warehousing Methodology (21), HEFESTO (22), CRISP-DM (23-25), SEMMA (26) y P3TQ (27). Al analizar las principales características de cada metodología se percibió que no todas contemplan el ciclo completo de desarrollo, en algunas no se crean artefactos que especifiquen como implementar la solución y la documentación en otras es escasa. Además el DM se basa en el diseño de un modelo conceptual y a partir de este se obtiene un modelo lógico, muchas de estas metodologías no definen mecanismos para estructurar de manera sistemática este proceso, convirtiéndolo en una tarea compleja y artesanal. Después de realizado un análisis exhaustivo de cada metodología se consideró apropiado la integración de la metodología HEFESTO y DWEP para el desarrollo del DM. Con la metodología HEFESTO se concretó la arquitectura de los datos, es decir la recolección de los requerimientos y necesidades de información del usuario y con DWEP se elaboró el modelo conceptual, lógico y físico pues permite controlar el alcance y la agilidad de forma disciplinada. De los tres niveles de abstracción definidos: conceptual, lógico y físico. El nivel conceptual representa las interacciones entre las entidades y las relaciones, el nivel lógico describe con tanto detalle como sea



posible los datos, sin tener en cuenta cómo estén físicamente en la base de datos y el nivel físico incluye la especificación técnica para determinar el diseño del DM. Para el desarrollo del DM integrando las metodologías HEFESTO y DWEP se siguieron los siguientes pasos: 1. Definición del alcance que contemple la visión del negocio junto con las metas y justificación del proyecto. 2. Identificación de las preguntas mediante entrevistas y observaciones sobre los objetivos del proyecto, con la finalidad de identificar los indicadores y perspectivas de las cuales partirá el análisis de diseño. 3. Construcción del modelo conceptual a partir de los indicadores y perspectivas obtenidas, se realiza en tres niveles que consisten en detallar cómo se encuentran integrados cada uno. 4. Obtención de los esquemas lógico, físico y el proceso de extracción, transformación y carga de los datos o Extract-Transform-Load (ETL por sus siglas en inglés). 5. Creación de la base de datos multidimensional y explotación del DM. Como lenguaje para modelado gráfico se decidió emplear UML (Unified Modeling Language - Lenguaje Unificado de Modelado) pues la metodología DWEP lo utiliza, el mismo cuenta con la extensión Profile MD (multidimensional) para modelar de forma integrada las distintas partes del DM (28-31). Seleccionar una herramienta CASE para UML es una tarea ardua, debido a la variedad de herramientas existe en el mercado que permite el modelado de diagramas UML, varios estudios lo demuestran (32-34); entre ellas se pueden encontrar a: Rational Rose, Visual Paradigm, Argo UML, MagicDraw, Umbrello UML Modeller, entre otras. En el área de DW se ha trabajado en el desarrollo de herramientas CASE que automaticen algunas tareas de diseño y asistan al diseñador a través de técnicas e interfaces gráficas incluyendo el desarrollo de un Modelo Conceptual Multidimensional (35). Después de analizar las características principales de estas herramientas se determinó utilizar a Rational Rose para el diseño del DM. Para la implementación del DM se decidió emplear la visión de Kimball (metodología ascendente) pues se ajusta a las condiciones del tratamiento de la información sobre los resultados de eficiencia en el consumo los portadores energéticos en un área departamental. La representación del esquema multidimensional elegido fue el esquema constelación, el cual se diseña considerando las medidas y dimensiones requeridas para el control de los portadores energéticos, utilizándose como estructura representativa de los datos en el DM el cubo multidimensional y para el análisis OLAP la arquitectura ROLAP. La Suite de Pentaho fue la elegida para implementar la solución pues integra el conjunto de herramientas necesarias para la realización del DM, utilizándose de ella: La herramienta Pentaho Data Integration (Kettle) (versión 4.2.0) para el proceso de extracción, transformación y carga de los datos (ETL), Schema Workbench (versión 3.3.0.14703) para la definición de los cubos, JRubik (versión 0.9.7) para el análisis multidimensional de la información, Report Designer (versión 3.7) para editar informes gráficos y Pentaho biserver (versión 3.8.0) como servidor de la aplicación; como soporte de base de datos el MySQL (versión 5.5.8) y servidor web Apache (versión 2.2.17). Construcción del DM. Alcance del proyecto. Para comprender el ámbito del negocio se realizó un análisis de su entorno. Previamente, se conoció la base de problemas que afectaban el control de portadores energéticos para lo cual se realizaron entrevistas a directivos y energéticos del MINAG en busca de información, la frecuencia de actualización de los datos, entre otras cosas.



Como resultado se conoció que se desea consultar información sobre los portadores energéticos que entran a la empresa y los que esta distribuye a cada unidad, y que estas a su vez emplean, ya sea para consumo o transferencia a otro lugar. De forma concretase se desea disponer de información detallada sobre:

La cantidad entrada de cada tipo de portador energético a la empresa y mediante qué tipo de suministro y moneda en un periodo determinado.

La cantidad entrada de cada tipo de portador energético a cada unidad y mediante qué tipo de suministro y moneda en un periodo determinado.

La cantidad consumida de cada tipo de portador energético en cada equipo de maquinaria y de transporte, de cada unidad en un periodo de tiempo determinado.

La cantidad salida por otros conceptos que no sea consumo de cada tipo de portador energético de cada unidad en un periodo de tiempo determinado.

La cantidad consumida de cada tipo de portador energético en cada unidad según la actividad en un periodo de tiempo determinado.

La mayoría de los datos internos se encuentran alojados en una base de datos relacional. 2. Identificación de indicadores y perspectivas. Se realizó una entrevista a las personas relacionadas con el control de los portadores energéticos en la empresa, para identificar los indicadores (tabla 1) que se desean analizar concretamente, por ejemplo: saldos, promedios, cantidades entre otros, y las perspectivas que se refieren a los objetos mediante los cuales se quiere examinar los indicadores. Tabla 1. Indicadores y Perspectivas.

Indicadores Perspectivas Cantidad entrada a la empresa Empresa Cantidad entrada a la unidad Unidad Cantidad habilitada Portador Energético Cantidad consumida Suministro Moneda Equipo Tipo de Consumo Actividad

3. Obtención del Modelo Conceptual. Definir la estructura del DM es esencial para comprender el alcance del proyecto y para realizar una mejor implementación, siendo el modelo conceptual su pilar más importante. Según se define en la metodología DWEP el mismo se compone de tres niveles: 1ro) Definición del modelo, 2do) Definición de un esquema estrella y 3ro) Definición de un hecho o dimensión. Como se observa en el esquema de la Figura 1 el primer nivel, está compuesto por tres paquetes que representan los esquemas estrellas del modelo multidimensional: “Entrada Unidad”, “Entrada Empresa” y “Salida”; entre los cuales existe relación pues comparten dimensiones entre ellos conformando así constelaciones.

Figura 1 Esquema Conceptual del 1er nivel del DM. Para representar el segundo nivel se definen los esquemas estrella cuyos modelos fueron definidos en el primer nivel teniéndose en cuenta que cada uno de ellos se compone de paquetes que representan los



hechos y las dimensiones. En la Figura 2 se puede apreciar el esquema estrella correspondiente al paquete “Entrada Unidad” el cual se compone de una tabla de hecho y cinco tablas de dimensiones.

Figura 2 Esquema Conceptual del 2do nivel del paquete Entrada a la Unidad. El tercer nivel se compone de un conjunto de clases que representan los niveles jerárquicos en un paquete de dimensión o el esquema estrella completo en el caso de un paquete de hecho como se ilustra en la Figura 3.

Figura 3 Esquema Conceptual del 3er nivel del paquete Entrada a la Unidad.



4. Obtención del esquema lógico, físico y el proceso de extracción, transformación y carga de los datos.

El esquema lógico muestra las estructuras de las tablas de hechos y dimensiones con sus respectivos atributos que los caracterizan y las relaciones entre ellas a partir del cual se creó la base de datos del DM en el MySql, conformándose como se aprecia en la figura 4.

Figura 4. Esquema Lógico del DM. En la figura 5 se observa el esquema físico el cual define el diagrama de despliegue que muestra la estructura de los nodos donde se despliegan los componentes.



Figura 5. Esquema Físico del DM. Los datos que se extraen de las bases de datos relacionales deben ser transformados antes de ser insertados en el DM, se utilizó para ello de la Suite Pentaho la herramienta Pentaho Data Integration (Kettle) (versión 4.2.0). La carga de los datos fue programada para la actualización periódica según se defina por la empresa. La transformación, limpieza y carga de los datos de cada una de las dimensiones y hechos se realiza empleando una transformación (es el elemento básico de diseño de los procesos ETL) las cuales son ejecutadas por un trabajo. En la figura 6 muestra una de las transformaciones que se realiza en el proceso ETL, la dimensión “Portador” y en la figura 7 se encuentra el trabajo que ejecuta todas las transformaciones.

Figura 6 Vista de la transformación que actualiza la dimensión “Portador” en el DM.



Figura 7 Vista del trabajo que ejecuta cada transformación para cargar el DM. 5. Creación de la base de datos multidimensional y explotación del DM. Una vez concluida la implementación de los procesos ETL, el siguiente paso consiste en crear la base de datos multidimensional, o lo que es lo mismo los Cubos OLAP. Para ello se utilizó de la Suite de Pentaho la herramienta Schema Workbench (versión 3.3.0.14703) la cual brinda una interfaz visual y flexible que permite convertir los datos almacenados en las bases de datos relacionales en información empresarial significativa y fácil de explorar mediante la creación de los cubos de datos. En la figura 8 está representada la base de datos multidimensional del DM, la cual está compuesta por los cubos “Entrada Unidad”, “Entrada Empresa” y “Salida”.

Figura 8 Representación de los cubos que conforman el DM mediante el Schema Workbench.



Con el objetivo de explorar los datos del DM y obtener conocimiento a partir de información comprensible y detallada se han seleccionado de los diferentes tipos de herramientas de consulta y análisis (OLAP, Cuadros de Mando, Data Mining, EIS) los Cuadros de Mando pues se ajusta a las necesidades del MINAG. Para la creación de los Cuadros de Mando se empleó el lenguaje jsp, que el servidor Pentaho biserver se encarga de ejecutar para generar la interfaz que se muestra al usuario, además de JRubik para el análisis de la información y Report Designer para generar reportes gráficos. En la figura 9 se puede apreciar el reporte del análisis de consumos de portadores energéticos.

Figura 9 Reporte del Análisis de Consumos de Portadores Energéticos. Resultados y discusión: El éxito de un DM se pudiera definir como calidad del sistema, calidad de los datos y calidad de servicio. El DM propuesto en esta investigación impacta de manera positiva en los procesos y decisiones del MINAG ya que repercute en la calidad de los datos pudiéndose detectar errores e inconsistencias que existían en la información almacenada en las tablas del sistema relacional, además se alcanza mayor rapidez en la toma de decisiones gracias a la disponibilidad de la información tanto actual como histórica, se optimizan los procesos al disminuir el tiempo de respuesta, ganándose en eficiencia y reduciendo los costos. El usuario una vez que interactuó con el DM fue capaz de percibir los beneficios que este proporciona, para evaluar la calidad del mismo se empleó el criterio de expertos, mediante el método Delphi, que consiste en la utilización sistemática del juicio intuitivo de un grupo de expertos para obtener un consenso de opiniones informadas, es considerado como uno de los métodos subjetivos de pronosticación más confiables (36).



Los expertos que evaluaron la calidad del DM fueron debidamente elegidos, seleccionándose 31 de ellos. Estos expertos realizaron una encuesta para la evaluación del DM, la misma se confeccionó a partir de los siguientes indicadores generales de evaluación:

1. Resulta una interfaz amigable y fácil de operar. 2. Garantiza la disponibilidad de la información actual e histórica. 3. Facilita el análisis de la información en tiempo real. 4. Garantiza la seguridad de la información. 5. Constituye una herramienta útil para la toma de decisiones. 6. Disminuye el tiempo de respuesta. 7. Eleva la calidad de la información. 8. Garantiza la obtención de todos los gráficos y reportes que el usuario necesita. 9. Garantiza la obtención correcta de la información.

Después de realizado el procesamiento de la encuesta, se obtuvo que los aspectos 3, 5, 6, 7, 8 y 9 son muy relevante y los aspectos 1, 2 y 4 bastante relevante, por tanto, estos resultados son un argumento a favor de la calidad y el impacto que tuvo la puesta en práctica en el MINAG el DM para el control de los portadores energéticos. Conclusiones: Con el desarrollo del DM para el MINAG se obtiene una herramienta informática que contribuye a transformar la información sobre los portadores energéticos en conocimiento, para apoyar a los directivos en la toma de decisiones, con mayor rapidez gracias a la disponibilidad de la información tanto actual como histórica, elevándose el nivel de eficiencia desde el punto de vista organizativo, de control, analítico y económico. Referencias: 1. Abril DO, Pérez JN. Estado actual de la tecnología de Bodega de Datos y OLAP aplicada a base de

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