DESARROLLO E IMPLEMENTACIÓN DE UN LABORATORIO VIRTUAL DE INGENIERÍA SÍSMICA

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1 DESARROLLO E IMPLEMENTACIÓN DE UN LABORATORIO VIRTUAL DE INGENIERÍA SÍSMICA ALEXANDER SOLARTE Estudiante de Ingeniería Civil, Universidad del Valle, Colombia. Grupo de Investigación en Ingeniería Sísmica, Ingeniería Eólica y Estructuras Inteligentes, G-7. alexander.solarte@correounivalle.edu.co LUIS FELIPE GUERRERO, Ing. Ingeniero Civil, Universidad del Valle, Colombia. Grupo de Investigación en Ingeniería Sísmica, Ingeniería Eólica y Estructuras Inteligentes, G-7. Estudiante de Maestría, Escuela de Ingeniería Civil y Geomática, Universidad del Valle, Cali, Colombia. felipe.guerrero@correounivalle.edu.co PETER THOMSON, Ph.D Ingeniero Aeroespacial, Universidad de Minnesota, USA. Director Grupo de Investigación en Ingeniería Sísmica, Ingeniería Eólica y Estructuras Inteligentes, G-7. Profesor Titular, Escuela de Ingeniería Civil y Geomática, Universidad del Valle, Cali, Colombia. pethomso@univalle.edu.co DANIEL GÓMEZ PIZANO, M.Sc Ingeniero Civil, Magister en Ingeniería Civil, Universidad del Valle, Colombia. Grupo de Investigación en Ingeniería Sísmica, Ingeniería Eólica y Estructuras Inteligentes, G-7. Profesor Asistente, Escuela de Ingeniería Civil y Geomática, Universidad del Valle, Cali, Colombia. daniel.gomez@correounivalle.edu.co RESUMEN: En este artículo se muestra el desarrollo de un laboratorio virtual para proporcionar un medio en línea para realizar simulaciones en el área de la Ingeniería Sísmica. El uso de las tecnologías de información y telecomunicaciones (TIC) y más específicamente los laboratorios virtuales, se han consolidado en la última década como una valiosa herramienta de apoyo para el ejercicio docente en diferentes áreas de la formación profesional. En la actualidad podemos encontrar implementaciones que van desde la virtualización de prácticas en ciencias básicas hasta la experimentación virtual en temas específicos de ingeniería. Si bien los mayores desarrollos en este campo se han alcanzado en otras latitudes, en los últimos años, local y regionalmente, se han dado pasos firmes hacia la incorporación efectiva de estos escenarios de enseñanza-aprendizaje en la actividad académica universitaria. En este Laboratorio Virtual de Ingeniería Sísmica se diseñaron prácticas virtuales para el aprendizaje con la implementación de módulos que proporcionan un medio de simulaciones interactivas en línea, destinados a proporcionar una comprensión conceptual de temas relacionados con la ingeniería sísmica. Finalmente se plantean estos escenarios como un medio para fortalecer las experiencias académicas e investigativas del estudiante fuera del aula de clase. Palabras clave: Laboratorio virtual, Ingeniería sísmica, Dinámica estructural, Ingeniería Geotécnica, Tecnología en información y comunicación. ABSTRACT: This article shows the development of a virtual laboratory to provide an online medium to carry out simulations in the area of Earthquake Engineering. The use of the information technology and telecommunications (ICT) and more specifically the virtual labs have been consolidated in the last decade as a valuable support tool for the teaching practice in different areas of vocational training. Today we can find implementations ranging from virtualization practice in basic science through virtual experimentation on specific engineering topics. While further developments in this field have been achieved elsewhere, in recent years, locally and regionally, have taken firm steps towards the effective incorporation of these scenarios of teaching and learning in university academic activity. In this Virtual Laboratory for Earthquake Engineering were designed virtual learning practices with the implementation of modules that provide a means of online interactive simulations, aimed at providing a conceptual understanding of issues related to earthquake engineering. Finally, these scenarios arise as a means to strengthen academic and research experiences of the student outside the classroom. Keywords: Virtual Lab, earthquake engineering, structural dynamics, Geotechnical Engineering, Information and Communication Technology.

2 1. INTRODUCCIÓN La enseñanza de la parte práctica en ingeniería preocupa a los docentes en todo el mundo debido a que se considera que es necesario complementar la enseñanza teórica del aula con la ejecución de experimentos. Las prácticas de laboratorio permiten al estudiante manipular materiales, instrumentos e ideas, así como aplicar su propia iniciativa y originalidad, pero en los sistemas de enseñanza es difícil la incorporación adecuada de los recursos prácticos debido a que no siempre se cuenta con las instalaciones o equipos necesarios. La Ingeniería sísmica abarca una gran cantidad de áreas, tales como la dinámica estructural, la sismología, los efectos de sitio, respuesta geotécnica, el análisis, comportamiento y diseño de estructuras, por lo que se vuelve una necesidad la preparación de los estudiantes de ingeniería para que comprendan mejor los conceptos y el comportamiento de estructuras sismorresistentes, para reducir las pérdida de vidas humanas, los daños materiales y los costos en infraestructura de un país en desarrollo. La mejor forma para la construcción de conocimiento, el desarrollo del pensamiento crítico y el abordaje de la solución de problemas por parte de los estudiantes es impartiendo la teoría acompañada de desarrollos experimentales que le permitan a los estudiantes entender de manera práctica los conocimientos adquiridos. Sin embargo, esta metodología resulta ser costosa y en ocasiones difícil de realizar. Es aquí donde entran en juego los laboratorios simulados o virtuales mediante las tecnologías de la información y comunicación (TIC) [1]. Una de las características que mejor define un laboratorio virtual es la interacción, ya que el usuario hace realmente un experimento: sólo se progresa si se suministra al programa informático los datos que necesita para hacer las transformaciones que se desean. El proyecto pretende desarrollar e implementar una herramienta educativa con el fin de ilustrar conceptos de la Ingeniería sísmica mediante un laboratorio virtual inicialmente con tres módulos: un módulo de dinámica estructural, un módulo de geotecnia, y un módulo de análisis y diseño estructural. Gracias a esta herramienta el laboratorio se llevará a la pantalla del ordenador y eso permitirá que cada uno de los estudiantes de todo un curso observe y realice la misma práctica. Además, una vez aprendida la técnica, cualquier estudiante podrá repetir individualmente el experimento y sus variantes, tantas veces como desee, brindando un apoyo a la docencia impartida por profesores así como un instrumento que facilite la interacción entre los diferentes temas de la Ingeniería sísmica y los estudiantes 2. DESCRIPCIÓN DEL LABORATORIO VIRTUAL DE INGENIERIA SISMICA 2.1. ALCANCE En este proyecto se pretenden implementar prácticas virtuales para el aprendizaje. Esto se hará con el desarrollo de una serie de módulos para proporcionar un medio de experimentos interactivos en línea, los cuales están destinados a proporcionar una comprensión conceptual de temas relacionados con la ingeniería sísmica. Además el proyecto contempla el desarrollo de la página Web que albergará el

3 laboratorio virtual. Adicionalmente se plantean estos escenarios como un medio para fortalecer las experiencias académicas e investigativas del estudiante fuera del aula de clase. El Laboratorio Virtual de Ingeniería Sísmica constara de tres módulos: Dinámica estructural, Geotecnia y Análisis de estructuras, los cuales tendrán subdivisiones como se ilustra en la Figura 1. Estos módulos de Laboratorio se albergaran en una página Web. Figura 1. División por Módulos del Laboratorio Virtual de Ingeniería Sísmica Módulo de Dinámica Estructural Permitirá simular la respuesta dinámica de una estructura modelada como un sistema de un grado de libertad (GDL) o múltiples GDL, ante diferentes excitaciones. Al mismo tiempo se podrá observar la respuesta dinámica al variar los parámetros y el modelo matemático utilizado para desarrollar la simulación. Los tipos de excitación que podrán simularse son: Desplazamiento armónico en el suelo y fuerza armónica sobre la estructura. Excitación pulso triangular en el suelo y sobre la estructura. Excitación pulso rectangular en el suelo y sobre la estructura. Excitación sísmica (Sismo de Armenia, El Centro, Loma Prieta, México Páez). Excitación Barrido Senoidal en el suelo y sobre la estructura. Condiciones iniciales diferentes de cero sin fuerzas externas (vibración libre). Los tipos de estructuras modeladas como sistemas de un GDL en el Modulo de Dinámica serán: Pórtico plano, pórtico espacial, tanque y sistema masa-resorteamortiguador. Para sistemas de múltiples GDL serán: Pórtico plano y pórtico espacial. El Modulo de Dinámica Estructural resolverá la ecuación de movimiento de un sistema dinámico de un GDL y múltiples GDL para encontrar la respuesta dinámica en desplazamiento de la estructura cuando es sometida a una fuerza externa sobre la masa efectiva, o sobre el suelo.

4 La solución de la ecuación de movimiento se visualizara mediante una ventana de animación de repuestas, según varios tipos de excitaciones. Se indicaran los valores de las propiedades físicas de la estructura: masa, rigidez y razón de amortiguamiento. Cada caso de modelación tendrá su respectiva ventana de configuración de propiedades donde se ilustraran los parámetros que pueden variarse en cualquier instante de tiempo. Mediante una ventana de simulación según el tipo de excitación se podrá observar de manera gráfica la respuesta total o relativa de Desplazamiento, Velocidad y Aceleración de la estructura. Además el usuario podrá simular la respuesta ante una excitación sobre la masa efectiva de la estructura o sobre el suelo. El Modulo de Dinámica Estructural utiliza la solución analítica de la ecuación de movimiento para encontrar la respuesta ante excitaciones armónicas. La excitación Barrido Senoidal utilizara como parámetros de entrada la frecuencia inicial y final de barrido, el tiempo de duración y la amplitud de la excitación. La respuesta relativa o total en desplazamiento, velocidad y aceleración. Para este tipo de excitación se determina mediante la integración numérica de la ecuación de movimiento. Las excitaciones Pulso Rectangular o Pulso Triangular tendrán como entradas el tiempo de duración del pulso y la amplitud del pulso de aceleración. La respuesta en Vibración Libre permite al estudiante simular condiciones iniciales de desplazamiento y/o velocidad sin fuerzas externas sobre la estructura. Tiene como variables de entrada el desplazamiento y la velocidad inicial. La excitación Sísmica se ilustrara en las ventanas gráficas de aceleración, velocidad y desplazamiento, con un tiempo máximo fijo igual al tiempo de duración del sismo seleccionado, la respuesta en desplazamiento, velocidad y aceleración ante cada sismo será determinada mediante los diferentes métodos de integración numérica de la ecuación de movimiento [2] Módulo de Geotecnia El modulo de geotecnia tendrá como propósito el análisis sísmico de la respuesta Unidimensional del suelo mediante una aproximación lineal que esencialmente efectúa una evaluación de las funciones de transferencia, con el fin de ilustrar el proceso de análisis empleado para expresar diversos parámetros de respuesta, tales como desplazamiento, velocidad, aceleración y esfuerzo cortante [3]. Para este análisis se tendrán en cuenta que la señal entra desde el lecho rocoso, además de los siguientes cuatro casos posibles de configuraciones: Uniforme: no amortiguado sobre roca rígida Uniforme: amortiguado sobre roca rígida Uniforme: amortiguado sobre roca elástica Estratos: amortiguado sobre roca elástica

5 Módulo de Análisis de Estructuras Este módulo estará dividido en dos grandes grupos destinados a efectuar un análisis detallado de vigas y pórticos, expresados de la siguiente manera: Análisis de vigas y pórticos, modelados en dos y tres dimensiones, apoyado en el método de la rigidez, para obtener resultados como reacciones, diagramas de cortante, momento, deformaciones en los nudos, matriz de rigidez de elementos estructurales y de toda la estructura en general [4-5]. Análisis de vigas y pórticos, modelados en dos dimensiones, fundamentado en tres métodos energéticos: Método de los Desplazamientos, Método de las Fuerzas [6] y Método de Cross [7]. Adicionalmente se desarrollará una aplicación para el cálculo de deformaciones unitarias en el plano y análisis de secciones de elementos estructurales [8] ESTADO ACTUAL El laboratorio virtual de ingeniería sísmica se encuentra en etapa de desarrollo en la Escuela de Ingeniería Civil y Geomática de la Universidad del Valle. Este desarrollo se inició por el Modulo de Dinámica de Estructuras, una vez terminado el modulo se dará continuidad a los demás. A continuación se especificara el estado actual del modulo. El Modulo de Dinámica de Estructuras tiene dos divisiones, sistemas de un GDL y sistemas de múltiples GDL. Para la simulación de estructuras modeladas con un GDL, se diseño la interfaz gráfica, como se muestra en la Figura 2, utilizando el lenguaje de programación del software MATLAB [9]. La interfaz del programa se divide en el Panel de Movimiento de Suelo, Panel de Animación de Respuesta (Modelo), Panel de Parámetros Dinámicos, Panel de Métodos de Integración Numérica y el Panel de Simulación de Respuestas.

6 Figura 2. Interfaz para Excitación Sísmica En el Panel de Movimiento del Suelo se puede determinar el tipo de excitación Sísmica, permitiendo elegir entre los sismos de Armenia, El Centro, Loma Prieta, México y Páez. Mostrando las ventanas gráficas de aceleración, velocidad y desplazamiento, con un tiempo máximo fijo igual al tiempo de duración del sismo seleccionado. En el Panel de Animación de Respuesta (Modelo), se muestra el caso masa-resorteamortiguador, el cual simula una estructura de un GDL a partir del modelo general. El estudiante puede variar directamente los valores de periodo natural, coeficiente de amortiguamiento o variar la masa, amortiguamiento y rigidez para visualizar los cambios en las propiedades dinámicas mediante el Panel de Parámetros Dinámicos. El Panel de Simulación de Respuestas, grafica las respuestas totales o relativas en Desplazamiento, Velocidad o Aceleración de la estructura de un GDL sometida ante una excitación sísmica sobre el suelo determinada anteriormente, dependiendo del método de integración numérica escogido en el Panel de Métodos de Integración Numérica, que permite elegir entre los diferentes métodos de Newmark, Interpolación de la excitación o diferencia central [10]. Para la simulación de estructuras modeladas con múltiples GDL, se esta trabajando en el diseño de una interfaz gráfica programada en lenguaje html5 y JavaScript como se muestra en la Figura 3. El diseño de esta interfaz consta de tres paneles, un panel de elementos, panel de dibujo y un panel de resultados.

7 Figura 3. Interfaz del modulo de dinámica para múltiples GDL El panel de elementos contiene los elementos con los cuales se puede realizar una configuración estructural. Entre estos encontramos elementos tipo columnas, tipo vigas, masas y un amortiguador, con estos elementos podemos definir la estructura. Para excitar la estructura se tienen dos elementos, un motor que produce vibraciones a la estructura y sismos. En el panel de dibujo se realiza la configuración estructural arrastrando los elementos del panel de elementos para armar la estructura según se requiera saber la respuesta ante determinada excitación. Por último tenemos el panel de resultados en el cual podemos ver las gráficas de la carga aplicada, el desplazamiento, velocidad y aceleración. Para el diseño de esta interfaz se esta utilizando la librería de JavaScript Raphaël [11], que facilita el trabajo de los gráficos vectoriales de una pagina Web, con el fin de poder animar la estructura, armada en el panel de dibujo, según la respuesta calculada por los métodos de integración numérica. Con esta interfaz gráfica se pretende tener una herramienta didáctica que permita una mejor comprensión de los temas de la dinámica estructural y tener una valiosa herramienta de apoyo para el ejercicio docente. 3. CONCLUSIONES El artículo evidencia la descripción y el aporte del Laboratorio Virtual de Ingeniería Sísmica como TIC en el desarrollo de una experimentación de manera practica, a través de la plataforma construida en la web, que permite la interacción del usuario con la animación y simulación en el tiempo de modelos representativos de la realidad, ayudando a la pedagogía de los docentes, motivando la interpretación y exploración de la alta gama de conceptos que abarca esta área, facilitando el entendimiento e interpretación de las ecuaciones.

8 Mediante el desarrollo del modulo de dinámica estructural usando el lenguaje de programación JavaScript y html5, se podrá acceder a través de Internet lo cual permitirá una fácil interacción de los usuarios. AGRADECIMIENTOS Los autores agradecen la financiación de la Universidad del Valle y el Ministerio de Educación Nacional de Colombia, CINTEL a través del proyecto: Desarrollo e Implementación de un Laboratorio Virtual de Ingeniería Sísmica. REFERENCIAS [1] VALENCIA, M. Las Nuevas Tecnologías de la Información y la Comunicación y el Aprendizaje Activo: Experiencia con el Curso de Metodologías De Multimedia, Revista: Ingeniería y Competitividad, Vol.1, Cali, Junio de [2] GÓMEZ, D., THOMSON, P., VALENCIA, A., RAMIREZ, J. Aplicación Interactiva para la educación en Dinámica Estructural. [3] Kramer, Steven L Geotechnical Earthquake. Engineering. [4] Rojas Rojas, Rafael M. y Padilla Punzo, helia M.,ANÁLISIS ESTRUCTURAL CON MATRICES, Ed. Trillas, México, 11 de septiembre de [5] Celigüeta Juan,CURSO DE ANÁLISIS ESTRUCTURAL, Ed. EUNSA. [6] Leet y Uang, FUNDAMENTOS DE ANÁLISIS ESTRUCTURAL, McGraw-Hill, segunda edición. [7] Uribe Escamilla, Jairo, ANÁLISIS DE ESTRUCTURAS, Ediciones Uniandes, Primera Edición, [8] James M, Gere; MECANICA DE MATERIALES; Sexta Edición; Editorial Thomson. [9] Sitio oficial de MATLAB. Avalaible: [Consultado en Mayo de 2012]. [10] Anil K.Chopra, Dynamics of Structures (Theory and Applications to Earthquake Engineering). [11] Raphaël JavaScript Library. Consultado en Mayo de 2012.