CONTENIDO Un algoritmo en seudocódigo para el chequeo de la subsumición en ALC REVISTA DE LA UNIVERSIDAD FRANCISCO DE PAULA SANTANDER San José de Cúcuta Noviembre 2003 No. 8 ISSN 0122820X Publicación Científica que presenta la producción de trabajos de investigación de la Universidad Francisco de Paula Santander y la Comunidad Científica en general. Está abierta a ensayos, artículos de divulgación científica y a informes de investigación de todas las ramas del saber, cuya calidad se determinará por el grado de innovación y por el cambio del estado del conocimiento que presenten los artículos publicados. Coordinación y Dirección General Jorge Sánchez Molina Comité Editorial Carmen Leonor Barajas Forero Gabriel Peña Rodríguez Hector Jaime Dulcé Moreno Luis Ignacio Lizcano Bueno Miguel Armando Briceño Guerrero Pablo Pastor Mogollón Sánchez Víctor Manuel Ardila Soto Jorge Fernando Márquez Peñaranda Pag. 3 Estudio de la formación de hidróxidos de europio por medio de espectroscopía de fluorescencia. Pag. 11 Implantación iónica Pag. 19 Diseño y montaje de una página wap que Implemente el acceso a la información académica de la Universidad Francisco de Paula Santander pag. 31 Análisis de la vulnerabilidad sísmica de los edificios fundadores y aulas sur de la U.F.P.S. Pag. 38 Editor Paula Andrea Plata Ochoa Diseño - Diagramación Impresión Offset La Opinión 5710632 Cúcuta, Colombia 1 EDITORIAL Hace diez años, el 16 de septiembre de 1993, se instaló en Santafé de Bogotá la «Misión Ciencia, Educación y Desarrollo» más conocida como la Misión de los Sabios, conformada por un grupo de diez intelectuales colombianos prominentes. Como lo expresara el doctor Rodolfo Llinás, en el acto protocolario de esa ocasión, el futuro de Colombia depende de la capacidad que el país tenga de organizar la educación, su producto: la ciencia; y el derivado de ésta: la tecnología. También planteaba que «la ciencia hay que hacerla, entenderla y consumirla. Si ella no se consume, mediante el desarrollo tecnológico, o la educación, se crean científicos frustrados o intelectos excéntricos sin uso social». El 21 de julio de 1994 se entregó el Informe Conjunto de la Misión que contenía diversos análisis y recomendaciones para propiciar un cambio altamente productivo a mediano plazo en términos de desarrollo de educación, ciencia y tecnología. Como síntesis proponía una agenda constituida por tres partes: a) Recomendaciones acerca de las organizaciones, b) Recomendaciones acerca de la educación y c) Recomendaciones acerca de ciencia y tecnología. En cuanto a las organizaciones planteaba la necesidad de buena gestión, difusión y promoción, servicios de calidad, proyectos interinstitucionales entre el sector productivo y la academia, y la creación de un Consejo Nacional de Productividad, Gestión y Competitividad con participación del sector público y privado. En el ámbito de la educación sugería la necesidad de un compromiso absoluto por parte de la Presidencia de la República, la consulta amplia y permanente de la ciudadanía, la integración de esfuerzos de los sectores privado y público enfocados a la educación, estimular la experimentación e innovación en organización y gobierno de los planteles, cualificar el sistema escolar, dar prioridad en el destino de recursos municipales a cubrimiento total en preescolar y primaria, propiciar la educación posbásica flexible, y el crecimiento de la inversión estatal en la formación de profesionales (nivel superior) y su fortalecimiento en niveles de maestría y doctorado. Para el área de la ciencia y la tecnología proponía la creación de un Programa para la Endogenización de la Ciencia y la Tecnología estableciendo guías tales como líneas de acción, estímulos a los investigadores, la preservación y uso del medio ambiente y la biodiversidad, y la creación de Centros de Popularización de la Ciencia y la Tecnología, entre otros. La Comisión esperaba que al cabo de cinco años se hubiese por lo menos iniciado el fortalecimiento de este espíritu de cambio y manifestaban su preocupación por que sus propuestas se quedasen almacenadas en alguna biblioteca. Después de diez años ese temor parece volverse un hecho; no existen recursos apropiados legales ni económicos que garanticen un movimiento en la cultura pro-desarrollo integral del país. Más bien todos los esfuerzos parecen encaminados a resolver necesidades urgentes o síntomas, más no logran llegar a corregir las causas de los problemas. La realidad social de Colombia es producto de la ignorancia de sus gentes y de su incapacidad de adaptarse a un mundo globalizado que exige competitividad y competencia. La investigación no es sólo una tarea u obligación de las instituciones: es una necesidad nacional y es imperioso que se entienda que sin ella no es posible el desarrollo sostenible. La Universidad es un ente académico cuyo discurso docente no puede limitarse a la exposición del producto del trabajo de «muchos otros» sino que debe desarrollar además su propio conocimiento, ya sea con investigación de punta o de tipo aplicado. Sin reducir la importancia de la primera, ésta última puede ser en la región la más urgente y apropiada. Con ella podrán estudiarse soluciones que ayuden a mejorar las condiciones de vida de la población menos favorecida, siempre que exista un compromiso de parte del estado y de la empresa privada en la asignación de recursos económicos y de logística, y de la universidad para aportar su saber de forma eficiente y oportuna. La Comisión de los Sabios hizo énfasis en que la educación es la progenitora de la ciencia y la tecnología; es algo que no se puede perder de vista, pues para «hacer algo bien» hay que «saber hacerlo bien». Aristóteles afirmaba que es posible llegar de la ciencia a la experiencia, pero que el camino inverso es bastante, difícil, por lo que primero hay que tener algún conocimiento de base (educación), inquirir mejoras de ese conocimiento (investigación - ciencia) y extraer conclusiones que puedan usarse (tecnología). Que sea entonces la docencia basada en la investigación propia de las instituciones de educación en todos los niveles, la palanca que permita a Colombia salir de su anquilosamiento. 2 UN ALGORITMO EN SEUDOCODIGO PARA EL CHEQUEO DE LA SUBSUMICION EN ALC Eduard Gilberto Puerto C. Estudiante X Semestre Ing. Sistemas eduardpuerto@yahoo.com Universidad Francisco de Paula Santander RESUMEN En el presente artículo se describe un evaluador de satisfactibilidad para el chequeo de la subsumición en un lenguaje de atributos de conceptos (Attribute Language Concept, ALC). Los lenguajes de conceptos basados en las lógicas descriptivas (Description Logics, DLs) ofrecen servicios de razonamiento que permiten hacer clasificación y recuperación de la información dentro de la base de conocimiento. Los procesos de razonamiento de subsumición y de satisfactibilidad son equivalentes y se especifican por medio del Cálculo de Predicados de Primer Orden (First Order Predicate Calculus, FOPC) y el cálculo Tableaux. FOPC permite asociar cada expresión C de conceptos a una fórmula fc(x) de la lógica de predicados, de tal forma que un modelo de una fórmula fc(x) es un modelo del concepto C y viceversa. El cálculo Tableaux de primer orden siempre termina para las fórmulas asociadas a conceptos en el FOPC. El cálculo de terminación planteado permite una interpretación si la fórmula es satisfactible o se produce una contradicción si la fórmula es insatisfactible. Se plantea un algoritmo en seudocódigo para el chequeo de la subsumición. 1. INTRODUCCION Un área de estudio de la Inteligencia Artificial de gran actualidad por su aplicación es la sistematización del conocimiento. Para realizar esta tarea se requieren métodos que permitan representar el conocimiento junto con procedimientos efectivos y eficientes para recuperar e inferir conocimiento. Esta tarea se realiza por medio de los sistemas de representación de conocimiento (Knowledge Representation Systems, KRSs) mediante el uso de los lenguajes terminológicos o lenguajes de conceptos basados en DLs. Uno de los mecanismos básicos de la representación y procesamiento del conocimiento humano es la división del mundo en clases o conceptos los cuales usualmente están dotados de una jerarquía estructural. Los lenguajes de conceptos son un medio para expresar conocimiento taxonómico, se conciben como sublenguajes de la lógica de predicados de primer orden con la semántica declarativa de Tarski, y permiten representar conocimiento de un domino concreto por medio de conceptos y roles, donde los conceptos son descripciones de clases de individuos y los roles modelan relaciones entre las clases (Buchheit, et al, 1993). Partiendo de conceptos atómicos y roles atómicos (que sólo son descritos por su nombre) al combinarlos se pueden construir expresiones de conceptos utilizando constructores que corresponden a operadores lógicos y a cuantificadores. Los diferentes lenguajes de conceptos son distinguibles por los constructores que ellos proveen. Los sistemas de representación de conocimiento ofrecen servicios de razonamiento que permiten inferir, ordenar, gestionar, modificar o recuperar información dentro de las bases de conocimiento y obtener respuesta a cuestiones como: Dado un concepto, ¿es éste satisfactible? Determinar la relación de subsumición entre conceptos. Dentro de la jerarquía de conceptos, ¿dónde se ubica un concepto determinado? ¿Qué hechos se deducen del conocimiento dado? ¿Es consistente el conocimiento? ¿Qué individuos son instancias de un concepto dado? ¿De qué conceptos un individuo es instancia? El presente artículo está organizado así: En la sección 2 se presenta la sintaxis y la semántica de ALC y una relación de equivalencia entre la subsumición y la satisfactibilidad. En la sección 3 se plantea un cálculo para el chequeo de la satisfactibilidad. En la sección 4 se da una descripción de los objetos que se requieren para modelar la especificación referente al problema de satisfactibilidad. En la sección 5 se plantea un algoritmo que da solución al problema de la satisfactibilidad de una expresión de conceptos. 3 2 ALC Una característica fundamental de las DLs es que ellas soportan la composición de descripciones estructuradas de conceptos con las cuales se puede razonar (Woods y Schmolze, 1992). La inferencia es posible con base en la especificación formal de la sintaxis y la semántica del lenguaje de descripción de conceptos. A continuación se describe la sintaxis y la semántica de ALC (Schmidt y Smolka, 1991). La terminología ALC está basada en tres alfabetos de símbolos llamados nombres de conceptos, nombres de roles y nombres de individuos. Una terminología o base de conocimiento terminológico consta de un número finito de axiomas los cuales permiten introducir conceptos por medio de definiciones o de inclusiones. La terminología ALC está determinada por las siguientes reglas de formación: La interpretación de una expresión de un concepto es derivada de las interpretaciones de sus componentes. En cada interpretación I, diferentes individuos denotan diferentes elementos del dominio DI, es decir, para cada par de individuos a y b, si a es diferente de b entonces aI ¹ bI . Esta propiedad corresponde al postulado de nombre único. Una interpretación I es un modelo para un concepto C si CI es no vacío. Un concepto es satisfactible si tiene un modelo, en otro caso se dice que no es satisfactible. Dados los conceptos C y D, se dice que C es subsumido por D (lo notamos C m D) si CI Í DI para cada interpretación I. Finalmente se dice que C es equivalente a D si CI = DI para cada interpretación I. La siguiente proposición describe la equivalencia entre la subsumición y la satisfactibilidad (Nutt,1993). Proposición 2.1 Sean C y D conceptos entonces: Axiomas de la forma CN = C | CN m C, y Las expresiones de conceptos de la forma: CN | C * D | C + D | Ø C | P.C | $ P.C donde CN es un nombre de concepto, C y D son expresiones de conceptos y P es un nombre de rol. Los conceptos son interpretados como subconjuntos de un dominio y los roles son interpretados como relaciones binarias sobre un dominio (Lizcano y Ojeda, 2002). Una interpretaciónI = (DI, I ) consta de un conjunto no vacío DI llamado el dominio de I y una funciónI (la función interpretación de I ) que asigna cada concepto a un subconjunto de DI, cada rol a un subconjunto de DI x DI, y además se satisfacen las ecuaciones de la tabla 1. (C * D)I = CI Ç DI (C + D)I = CI È DI (¬C)I = DI - CI ($ P.C)I = {d Î DI | $ e Î DI, con (d , e) Î PI y e Î CI} ( P.C)I = {d Î DI | e Î DI , si (d , e) Î PI entonces e Î CI} Tabla 1. Interpretación de conceptos 4 1. C es subsumido por D, si y sólo si, C* ¬D no es satisfactible. 2. C es satisfactible, si y sólo si, C no es subsumido por ^. Luego la satisfactibilidad y la subsumición pueden ser reducidas en un tiempo lineal la una en la otra. Por tanto los dos problemas son de igual complejidad y basta con decidir sobre uno de ellos. 3 UN CALCULO PARA EL CHEQUEO DE LA SATISFACTIBILIDAD Con base en lo anterior, la evaluación de la subsumición entre conceptos puede ser tratada como el chequeo de satisfactibilidad de conceptos. Esto último está influenciado por el cálculo de terminación o el cálculo Tableaux para FOPC (Mac Gregor,1999). C. El cálculo asume que las expresiones de conceptos están en forma normal negativa, es decir, que las negaciones sólo se aplican a nombres de conceptos y no a términos compuestos. Figura 1. Arquitectura del cálculo de satisfactibilidad de una expresión de conceptos La técnica del cálculo básicamente consiste en aplicar el cálculo Tableaux con alguna estrategia de control a las fórmulas obtenidas de los conceptos, y está descrita como reglas que operan sobre aseveraciones correspondientes a las fórmulas de la lógica de predicados asociados a conceptos. El control es incorporado dentro de las condiciones que permiten aplicar las reglas. El cálculo Tableaux es un cálculo basado en las reglas de expansión de los constructores del lenguaje para probar la insatisfactibilidad de fórmulas del FOPC (Lizcano,2002). De una fórmula f, se dice que es insatisfactible si al descomponer paso a paso f con las reglas de expansión se tiene una contradicción en todos los caminos, en otro caso es satisfactible, es decir, hay un conjunto terminal que es un modelo. La estructura de datos fundamental para el cálculo son las aseveraciones. Las reglas se aplican a conjuntos de aseveraciones que son entendidos como conjunciones de sus elementos. Para determinar la satisfactibilidad de un concepto C, se parte de un conjunto de aseveraciones S, cada derivación termina después de un número finito de pasos (Smullyan,1968). Si todos los conjuntos terminales de aseveraciones contienen una contradicción, entonces C no es satisfactible. En otro caso se concluye que C es satisfactible ya que existe al menos un conjunto terminal libre de contradicción , el cual describe un modelo de En el FOPC se expresan los conceptos atómicos como predicados unarios y los roles como predicados binarios. Esta identificación puede ser extendida asociando cada expresión C de conceptos a una fórmula fc(x) de la lógica de predicados, con x variable libre. Un modelo de una fórmula fc(x) es un modelo del concepto C y viceversa. En particular, C no es satisfactible, si y sólo si, fc(x) no es satisfactible. El cálculo Tableaux de primer orden siempre termina para las fórmulas asociadas a conceptos en el FOPC y genera un modelo si la fórmula es satisfactible o una contradicción si la fórmula es insatisfactible. Con base a lo anterior se puede diseñar un chequeador de satisfactibilidad que consta de dos componentes: un evaluador de refutación de teoremas y un procedimiento que genera todas las interpretaciones finitas y evalúa cuales de ellas son un modelo (Lizcano, 2001). Si ambos procesos comienzan con la entrada fc(x) y se ejecutan en paralelo el probador de teoremas encontrará que la fórmula es insatisfactible, si ésta lo es, y el evaluador de interpretación exhibirá un modelo de la fórmula, si ésta lo tiene. El cálculo Tableaux combina las características de ambos procesos. El cálculo para el chequeo de la satisfactibilidad parte de un sistema de aseveraciones S = {x : C} y se desarrolla en sucesivos pasos aplicando un conjunto de reglas de expansión que corresponden a los constructores del lenguaje. El proceso termina cuando ninguna de las reglas se puede aplicar o se presente una contradicción. El cálculo se basa en un conjunto de reglas que son equivalentes a las reglas del cálculo Tableaux (Horrocks,1997). regla-*: Si 1. x : C1 * C2 Î S 2. { x : C1, x : C2 } Ë S Entonces S ® S È { x : C1 , x : C2 } 5 regla-+: Si 1. x : C1 + C2 Î S 2. { x : C1 , x : C2 } Ç S = F Entonces a. Guardar S b. Hacer S ® S È { x : C1 } si se llega a una contradicción restaurar S, y c. Hacer S ® S È { x : C2 } aplicar el algoritmo de Tableaux para evaluar la satisfactibilidad de una expresión de conceptos. regla-$: Si 1. x : $ P.C Î S 2. Si no existe variable alguna y tal que x P y en S y además y : C Ï S. Entonces crear una variable y, luego hacer S ® S È { x P y, y : C } Expresion: Expresión de conceptos generados al aplicar las reglas de expansión. regla- : Si 1. x : P.C Î S 2. Si existe alguna variable y tal que x P y en S y además y : C Ï S. Entonces hacer S ® S È { y : C } Cod_Ind: Determina el código del individuo en que se instancia la expresión de conceptos. Figura 2. Reglas de expansión del Tableaux para ALC. Estado: Identifica expresiones de conceptos a las cuales se le ha aplicado una regla de expansión. Atributos: Cod_Exp: Establece el código de la expresión que es un valor consecutivo. Tipo_Const: Constructor lógico que caracteriza la expresión de conceptos en cuestión. Cod_Exp_Prec: Es el código de la expresión del cual ha sido generada la expresión en cuestión. Una contradicción para una variable x y un concepto C se tiene, cuando uno de estos dos hechos se da en el sistema de aseveraciones: Camino: Define una trayectoria para las expresiones de conceptos que han sido derivadas. { x : C, x : Ø C }. Operaciones: 4 MODELADO DE OBJETOS PARA EL CALCULO DE LA SATISFACTIBILIDAD DE UNA EXPRESION DE CONCEPTOS Crear( ): Crea un nuevo registro a partir de una expresión de conceptos. En un análisis del proceso de chequeo para la subsumición se ha hecho la abstracción de los siguientes tres objetos que permiten modelar el comportamiento del sistema. ALMACEN, que es la agregación de INDIVIDUO y EXPRESION, y por la cual se determina una taxonomía en una base de conocimiento. A continuación se da una descripción de estos objetos. ALMACEN. Es la clase que contiene los datos alusivos a la expresión de conceptos y otros que resultan de 6 Chequear( ): Verifica si la expresión de conceptos del registro en cuestión es la negación de alguna expresión de conceptos de los registros anteriores. Expandir( ): Ejecuta la operación de expansión determinada por la operación Estrategia( ). Estrategia( ): Determina la regla a aplicar de las expresiones de conceptos factibles a expandir. Expresion = Expresión Tipo_Const = Tipo Cod_Ind = Cod_Ind Cod_Exp_Prec = Cod_Exp_Original Estado = Estado Camino = Camino FIN ELSE FIN IF FIN CREAR DefinirEstado() Entrada: Tipo Salida: Entero Figura 3. Diagrama de clases 4.1 SEUDOCODIGO DE LAS OPERACIONES CREAR( ) Entradas: Expresion, Cod_Exp_Original, Cod_Ind, Camino. Salidas: Ninguna Tipo = Analizar(Expresion) Estado = DefinirEstado(Tipo) IF(Almacen = Nil) THEN CREAR PRIMER REGISTRO Cod_Exp = 1 Expresion = Expresión Tipo_Const = Tipo Cod_Ind = 1 Cod_Exp_Prec = 0 Estado = Estado Camino = Camino ELSE CREAR REGISTRO Cod_Exp = MaxCod_Exp+1 IF(Tipo = 0 | Tipo = 1) THEN RETURN 1 ELSE RETURN 0 FIN IF FIN DefinirEstado Analizar() Entrada: Expresion Salida: Entero Ultimo Caracter de Exp.Infijo CASE 0: Concepto atómico CASE 1: Concepto atómico negado CASE 2: AplicarRegla-* CASE 3: AplicarRegla-+ CASE 4: AplicarRegla-$ CASE 5: AplicarReglaFIN Analizar ESTRATEGIA( ) Entrada: ninguna Salida: Entero // Si es cero no hay regla a aplicar y si es mayor que cero encontró una regla a aplicar en un registro en Cod_Exp. WHILE(EOF != Nil & Estado = 0 & Tipo_Cons =2) RETURN Cod_Exp FIN WHILE 7 WHILE(EOF != Nil & Estado = 0 & Tipo_Cons =3) DO i = i+1 // Actualizar el indice CEND[i] = Cod_Exp_Actual RETURN Cod_Exp FIN WHILE WHILE(EOF != Nil & Estado = 0 & Tipo_Cons =4) RETURN Cod_Exp FIN WHILE WHILE(EOF != Nil & Estado = 0 & Tipo_Cons =5) RETURN Cod_Exp FIN WHILE FIN ESTRATEGIA EXPANDIR() Entrada: Cod_Exp_Actual Salida: Expresión o Expresiones READ Expresion, Tipo_Const, Cod_Ind, Camino. Estado = 1 // cambiar el valor del campo Estado de cero a uno IF(Tipo_Const = 3) THEN Camino = Camino + .1 // Camino es alfanumérico. AplicarRegla(Expresion, Cod_Exp.Actual, 3,Camino) FIN IF IF(Tipo_Const = 4 | 5) THEN AplicarRegla(Expresion, Cod_Exp.Actual, Tipo_Const, Camino) ELSE AplicarRegla(Expresion, Cod_Exp.Actual, 2,Camino) FIN IF FIN EXPANDIR AplicarRegla() Entrada: Expresion, Cod_Exp, Entero, Camino Salida: Ninguna READ Cod_Exp & Cod_Ind CASE 2: N1 = Primera parte Exp.Infija N2 = Segunda parte Exp_Infija 8 Crear(N1, Cod_Exp, Cod_Ind, Camino ) Crear(N2, Cod_Exp, Cod_Ind, Camino ) CASE 3: N1 = Primera parte Exp.Infija Crear(N1, Cod_Exp, Cod_Ind, Camino ) CASE 4: C = Concepto de Exp.Infija READ Reg.Cod_Ind == Mayor.Cod_Ind Cod_Ind = Reg.Cod_Ind +1 Crear(C, Cod_Exp, Cod_Ind, Camino ) CASE 5: C = Concepto de Exp.Infija Crear(C, Cod_Exp, Cod_Ind, Camino ) FIN AplicarRegla CHEQUEAR() Entrada: UltimoRegistro Salida: Contradicción o no-contradicción READ Cod_Exp // leer el codigo de expresión del ultimo registro Contradicción = no // iniciar con no contradicción Marca = Izquierda READ Expresión & Camino GOTO Registro inicial de Almacen WHILE(EOF != NIL & Contradiccion = no & RegLeido.Camino != 0 ) DO IF(Reg.Leido.Expresion = ¬ Expresión) THEN Contradicción = si IF (Camino = par) THEN Marca = Derecha FIN IF FIN WHILE IF(Contradiccion = si) THEN WHILE(EOF != NIL) DO IF RegLeido.Camino = Camino THEN RegLeido.Camino = 0 FIN WHILE IF(Marca = Derecha) THEN Camino = Cam.CEND[i] WHILE EOF != NIL DO IF RegLeido.Camino = Camino THEN RegLeido.Camino =0 FIN WHILE FIN IF FIN IF RETURN Contradiccion. FIN CHEQUEAR INDIVIDUO Representa el objeto que se instancia en una expresión de conceptos. 5 ALGORITMO DE SATISFACTIBILIDAD DE UNA EXPRESIÓN DE CONCEPTOS C Sea A un ABox, el árbol n-ario GA inducido por A, donde cada nodo es una instancia de la clase Expresión, los nodos descendientes son instancias generadas por el algoritmo ALC de la aplicación de las reglas de terminación del Cálculo de Tableaux, partiendo de una ABox inicial {xo : C}. Atributo: Cod_Ind: Descrito antes. Operaciones: Crear(): Crea el código asociado a un individuo EXPRESION Es la clase que se le asocia una expresión de conceptos y un constructor lógico. Atributos: Expresion: Descrito antes. Tipo-Const: Descrito antes. Asignado los siguientes valores: Para un concepto atómico = 0 y para un concepto atómico negado = 1. Constructor * = 2 Constructor + = 3 Constructor $ = 4 =5 Constructor Operaciones: Crear(): Crea el valor del campo de Expresión y el Tipo_Const. Analizar(): Determina el constructor asociado a la expresión de conceptos. Entrada: Expresión de Conceptos Salida: Insatisfactible | Satisfactible Proceso: SAT(C): Cadena SAT(C): = Sat (x , C )//Crear(C,1,1,2) creación de la tabla Almacén y el primer registro. i=0 //índice para + camino y para invalidarlo si presenta contradicción WHILE(EOF != NIL) DO IF (Estado = 0) THEN Count = MaxCod_Exp +1 Expandir(Estrategia(Cod_Exp)) ELSE(Estado = 1) Count = MaxCod_Exp FIN IF Aux =1 // Auxiliar es una variable que mira si existe algun registro por analizar WHILE(EOF != NIL) DO IF Estado = 0 THEN Aux = 0 FIN WHILE WHILE (Count <= MaxCod_Exp) DO IF (Chequear(Count) = NoContradicción & Aux = 1) RETURN Satisfactible IF (Chequear(Count) = Contradicción & Count.Camino = C.Impar) THEN Camino = CEND[i]+.2 Crear (ExDerCEND[i], CEND[i], CI.CEND[i], Camino) i = i -1 // CEND: Código de expresión no determinista CI: código de individuo FIN IF IF (Chequear(Count) = Contradicción & Count.Camino = C.par) THEN IF (i >0) THEN 9 Camino = CEND[i]+.2 Crear(ExDerCEND[i],CEND[i],CI.CEND[i], Camino ) i = i -1 FIN IF FIN IF Count = Count +1 FIN WHILE FIN WHILE RETURN Insatisfactible. Lizcano L. y Ojeda R., Fundamento formal de las Lógicas Descriptivas. Revista de Ingeniería de la Universidad Nacional de Colombia, 2002. En Imprenta. CONCLUSIONES Mac Gregor R., Integrating Descriptions and Classification into a Predicate Calculus Framework. Collected Papers from the International Description Logics Workshop (DL99), Linköping, 1999. En este artículo se ha presentado un cálculo para verificar la relación de subsumición de un concepto en el lenguaje ALC, utilizando un paradigma matemático sobre la equivalencia entre la subsumición y satisfactibilidad. Se ha construido una especificación que permite desarrollar una implementación de dicho cálculo abordando el diseño de las operaciones Crear, Estrategia, Expandir y Chequear en seudocódigo del proceso SAT(C) y presentando un algoritmo que evalúa la satisfactibilidad de conceptos. Creo que estos resultados no solo tienen una importancia teórica, sino que el hecho de haber desarrollado estos algoritmos permiten pensar en la implementación de los mismos y una ampliación de este trabajo es dotar el algoritmo, de técnicas de optimización (Lizcano, 2001). BIBLIOGRAFIA Buchheit M., Domini F. and Schaerf A. Decidable reasoning in terminological knowledge representation systems. Journal of artificial Intelligence Research, 1 :109-138, 1993. Horrocks I., Optimising Tableaux Decision Procedures for Description Logics. Ph. D. thesis, University of Manchester, 1997. Lizcano L., Calculo para evaluar la Satisfactibilidad en ALC. Primera CIAMAC. Primera Conferencia Iberoamericana de Matemática Computacional., Bogotá 2001 10 Lizcano L., Razonamiento en una Expresiva Abox con Restricciones de Número. CISCI 2002 (Conferencia Iberoamericana en Sistemas, Cibernética e Informática) Orlando, Florida, EE.UU. Nutt W., Algorithms for Constraints in Deduction and Knowledge Representation. PhD. thesis, University of Saarlandes, 1993. Schmidt-Schaub M. and Smolka G., Attributive concept descriptions with complements. Artificial Intelligence, 48, 1-26, 1991. Smullyan R. M. First Order Logic, Springer-verlag Berlin, 1968. Woods W. and Schmolze J., The KL-ONE Family. Computers and Mathematics with Aplications, Vol 23, No. 2-5:133-177, 1992. ESTUDIO DE LA FORMACIÓN DE HIDRÓXIDOS DE EUROPIO POR MEDIO DE ESPECTROSCOPÍA DE FLUORESCENCIA. Carmen Leonor Barajas Forero1, Samuel J. Traina2 Grupo FLUTER (clbarajas@bari.ufps.edu.co). Universidad Francisco de Paula Santander, Colombia 2 Sierra Nevada Research Institute, University of California, USA 1 RESUMEN La configuración electrónica del europio (Eu) presenta características que lo hacen muy apropiado para el estudio mediante técnicas espectroscópicas especialmente la de fluorescencia. El espectro de emisión del ion Eu(III) presenta diferentes bandas a diferentes transiciones electrónicas. Las transiciones 5 7 5 7 Do F1 (? = 585-600) y Do - F2 (? = 610-630) presentan líneas intensas en el espectro del Eu(III) en 5 7 solución. La transición Do - F 2 denominada hipersensitiva es de especial importancia ya que es fácilmente alterada por los cambios que ocurren alrededor del ión. El parámetro ? ( I 5Do 7F1 / I 5Do - 7F2) que define la relación de intensidades entre la banda no sensitiva y la hipersensitiva permite caracterizar las propiedades físicas y químicas de los complejos y provee información sobre su simetría. Cuando se estudian procesos de adsorción del ion Eu(III) en un sólido, la identificación espectroscópica de estos hidróxidos es importante, porque de esta forma se ayuda a caracterizar las diferentes especies del ion en las diferentes fases. El objetivo de este estudio fue identificar mediante el uso de la espectroscopía de fluorescencia, los diferentes hidróxidos de Eu(III) formados a condiciones que pueden ser esperadas en los procesos de absorción. El estudio de fluorescencia mostró que la hidrólisis de Eu(III) empieza a valores de pH más altos que 6. A valores ? 6 no se observaron diferencias en los espectros. La formación de compuestos debido a la hidrólisis implica que la posición de la banda hipersensitiva sea trasladada a longitudes de onda menores ( energías más altas) y en la presencia de carbonatos ambas bandas se manifiestan a longitudes de onda aún menores y el parámetro ? incrementa su valor. El término lantánido se usa para designar los elementos con números atómicos entre 57 y 71. Estos elementos normalmente existen como cationes trivalentes con una configuración electrónica (Xe) 4fn donde n varía desde 1 (Ce+3) hasta 14 (Lu+3). Las transiciones de los electrones f son responsables por las interesantes propiedades fotofísicas de los iones de los lantánidos tales como la luminiscencia de larga vida y las agudas líneas de absorción y emisión. Los lantánidos han sido usados en diferentes métodos y técnicas de investigación tales como espectroscopía de luminiscencia (fluorescencia, fosforescencia, luminiscencia química o bioluminiscencia), espectroscopía de resonancia magnética nuclear (NMR), espectroscopía de Mossbauer, espectroscopía de resonancia paramagnética electrónica (EPR), análisis de activación de neutrones y microscopía electrónica (Elbanowiski y Makowska, 1996). La espectroscopía de fluorescencia es el resultado de un proceso de tres etapas: excitación, permanencia en el estado excitado y emisión de la fluorescencia. En la primera etapa una fuente externa, por ejemplo una lámpara incandescente o una fuente láser, produce un fotón de energía hvex, el cual es absorbido por el fluoroforo, produciendo un estado electrónico excitado, singlete. Un estado singlete es un par de electrones no enlazados en el cual uno de los electrones está girando en posición opuesta al otro. Si el electrón excitado pierde su pareja entonces habrá dos electrones sin pareja con el mismo spin. Así se forma un estado triplete. (Meloan C.E., 1968). El estado excitado perdura por aproximadamente de 10-9 hasta 10-8 segundos. En la segunda etapa el electrón sufre cambios en su conformación y está sujeto a diferentes posibles interacciones con su ambiente molecular. El electrón puede perder parte de su energía debido a colisión con otras moléculas o debido a posibles rotaciones o 11 vibraciones en la molécula. Típicamente la transición ocurre de un estado basal singlete (S0) a un estado excitado singlete (S1), pero la transición de un estado basal singlete a un estado excitado triplete es prohibida de acuerdo al spin y la probabilidad de que esta situación suceda es bastante baja. (Traina y Chattopadhyay, 1996). En la tercera etapa la emisión de la fluorescencia ocurre cuando el electrón vuelve a su estado basal S0 y emite un fotón de energía hvem. Esta energía de emisión es más baja que la energía de excitación del fotón, por consiguiente su longitud de onda es más larga. Existen dos técnicas básicas en los estudios de fluorescencia: la espectroscopía de emisión y la de excitación. La primera ocurre cuando una muestra es excitada a una longitud de onda dada y la emisión del monocromador es escaneada. En la segunda técnica se monitorea la emisión a una longitud de onda particular mientras se escanea el origen de la excitación. Atenuación (quenching ) de la fluorescencia. Este término se refiere a cualquier proceso que disminuya la intensidad de la fluorescencia de alguna sustancia. La sustancia que produce este efecto se denomina atenuador (quencher). Este proceso se denomina estático o dinámico dependiendo del mecanismo que cause la atenuación de la fluorescencia. El quenching estático es debido a la formación de un complejo basal y el dinámico es causado por las colisiones entre el fluorescente excitado y una molécula en estado basal (Lakowics, 1986). De acuerdo con Traina y Chatopadhyay (1996) este proceso puede ser representado por las siguientes etapas: (Fluorescencia) (Conversión interna) 12 (Entrecruzamiento entre sistemas) (Quenching) Donde M* y M representan el fluorescente en el estado excitado y en el estado basal respectivamente y Q representa el quencher. La condición básica necesaria para que se produzca el quenching es el contacto molecular entre el fluorescente y el quencher. Esta característica puede ser explotada para especificar la posición de un fluorescente dado en la interfase mineral-agua o puede servir también para identificar el mecanismo de absorción de un fluorescente cuando sistemas binarios (sólido-fluorescente) o sistemas ternarios (sólidoligando-fluorescente) son estudiados. El quenching de la fluorescencia ha sido usado ampliamente en biología. Por ejemplo, en experimentos con proteínas, el quenching de la fluorescencia permitió dilucidar los cambios ocasionados en la conformación de macromoléculas debido a la acción de ligandos y cambios en pH (Eftink, 1991). En otro tipo de aplicaciones, Laor et al (1998), usaron el fenantreno como un sustrato modelo con el fin de estudiar los mecanismos de absorción en minerales asociados con ácidos húmicos. Europio Europio (Eu) es un miembro del grupo de los lantánidos en el cual los electrones de la capa 4f se encuentran protegidos del ambiente externo por electrones de las capas más altas (5s, 5p), por consiguiente los orbitales interiores no ejercen un importante rol en el enlace. Debido a que los orbitales 4f están protegidos, el campo electrostático producido por la coordinación de ligandos causa sólo pequeñas perturbaciones en los niveles de energía de los electrones 4f. Este escudo es responsable por las especiales características observadas en los espectros de absorción y emisión del Eu (Pesterfield, 1991). El europio presenta una importante diferencia energética entre el nivel más bajo de emisión y el estado basal. Las transiciones desde los niveles altos de energía hacia el estado basal son observadas en la región visible del espectro electromagnético. El espectro de emisión del europio es caracterizado por diferentes bandas a diferentes transiciones 5 D0 7Fi (J= 0,1,2,3,4). La transición 5D0 7F0 (577581 nm) es útil para caracterizar el ambiente químico del Eu(III). Este tiene estados basal (7F0) y emisivos ( 5D0) no degenerados los cuales no pueden ser dispersados por un ligando de ninguna simetría (Latva, et al, 1998). Debido a que esta transición es prohibida, la intensidad de esta banda es muy baja y se requiere excitación láser para observarla. Las transiciones 5 D0 7F1 (l = 585-600) y 5D0 7F2 (l = 610-630) presentan líneas intensas en el espectro del Eu(III) en solución. Aunque la mayoría de las transiciones del Eu(III) son insensitivas, la transición 5D0 7F2 es denominada hipersensitiva debido a que es fácilmente alterada por los cambios que ocurran alrededor del ión. De acuerdo con Mason et al (1974) la distribución de carga de una transición f-f del ion es capaz de polarizar el ligando, extendiendo de esta manera la esfera de influencia de los electrones f. Ha sido observado que bajo las mismas condiciones, la intensidad de la banda hipersensitiva se incrementa más rápidamente que la intensidad de la banda no sensitiva cuando se forma un complejo (Elbanowiski et al, 1985). Debido a lo anterior es posible calcular el parámetro h (I5D0 7F1 / I5D0 7F2) que define la relación de intensidades entre la banda no sensitiva y la hipersensitiva. Este parámetro permite caracterizar las propiedades físicas y químicas de los complejos y provee información sobre su simetría. Por ejemplo, el complejo acuoso del ion Eu(III) tiene un valor h bastante bajo (0.39), lo cual significa que las moléculas de agua están arregladas simétricamente alrededor del ion Eu(III). La formación de los complejos implica la remoción de las moléculas de agua que se encuentran coordinadas en la esfera interna ocasionando por tanto una disminución de la simetría (Lis, 1994) causando el incremento progresivo de valor de h Formación de los hidróxidos de europio La presencia de hidróxidos juega un importante papel en los procesos de adsorción. Ellos pueden ser adsorbidos por la fase sólida o pueden competir con los ligandos en la fase líquida. La hidrólisis de los iones trivalentes es importante en estudios de formación de complejos especialmente si el ligando contiene grupos funcionales ácidos débiles. A bajo pH, la formación de compuestos hidroxo es despreciable y se puede ignorar su presencia pero a altos pH la formación de los hidróxidos causa una disminución en la concentración del metal libre lo cual puede afectar el equilibrio metal-ligando (Nayan y Dey, 1977). Takahashi et al, 1998 sugieren que los precipitados de Eu(III) pueden empezar a formarse a pH 6.2 asumiendo la formación de EuOHCO3 (s) o por encima de pH 7 asumiendo la formación de Eu(OH)3 (s). Cuando se estudian procesos de adsorción del ion Eu(III) en un sólido, la espectroscópica identificación de estos hidróxidos es importante, porque de esta forma se ayuda a caracterizar las diferentes especies del ion en las diferentes fases. El objetivo de este estudio fue identificar mediante el uso de la espectroscopia de fluorescencia, los diferentes hidróxidos de Eu(III) formados a condiciones que pueden ser esperadas en los procesos de absorción. Previamente al trabajo experimental un estudio de especiación fue realizado para el europio considerando condiciones inertes o condiciones en equilibrio atmosférico. Los cálculos fueron realizados con ayuda del programa PHREEQ. 2001. Los resultados de estas calculaciones son presentados en las figuras 1 y 2. 13 Figura1. Especiación de europio como una función de pH. El CO2 no fue incluído en los cálculos. La concentración de Eu(III) es 100 mM. Figura 2. Especiación de europio en función del pH cuando se asume equilibrio con CO2. Una fuerza iónica de 0.1M fue considerada y la concentración de europio analizada fue 100mM. MATERIALES Se prepararon soluciones stock de europio (0.02M) disolviendo cantidades apropiadas de Eu(NO3)3.6H2O (99.9% GFS Chemicals) en agua doblemente deionizada. Muestras acuosas a diferentes valores de pH fueron preparadas en condiciones inertes (Ar) y a condiciones atmosféricas. Cada muestra tenía un volumen de 20 ml y una concentración de100 mM de Eu(III). El pH fue ajustado con pequeñas cantidades de HNO3 0.1M o NaOH 0.1M. Muestras paralelas fueron preparadas con fuerzas iónicas de 0.1M. 14 Los espectros de emisión del europio fueron obtenidos usando un espectrómetro de luminiscencia AmincoBowman Series 2 con una longitud de onda de excitación de 364nm. Un promedio de 10 escanogramas fueron tomados por cada muestra y las intensidades fueron obtenidas cada 0.5 nm. La potencia de la lámpara usada (lámpara de Xenon) fue 1275W y la amplitud de las ranuras fue mantenida en 4. Las muestras líquidas fueron depositadas en cubetas de cuarzo de 3ml de capacidad. Los datos obtenidos fueron analizados usando el programa GRAMS 386 (Galactic Industries Corporation). RESULTADOS Y DISCUSIÓN Como puede observarse, en los experimentos realizados en condiciones inertes, la posición de los picos de la transición 5D0 7F1 es muy similar (596.07+ 0.1nm) y las intensidades de esta banda disminuyen de acuerdo con el pH (Figura 3). Mientras tanto, la posición de los picos de la banda hipersensitiva (5D0 7 F 2) varía y se mueve hacia energías más altas (longitudes de onda más cortas) e intensidades más altas (Tabla 1). Cuando el pH alcanza un valor de 10.2, una inesperada disminución de la intensidad es observada, debido posiblemente a la formación de precipitados. pH 5 Posición Intensidad D0 7F1 5 D0 7F1 5 Posición Intensidad D0 7F2 5 D0 7F2 3.2 596.1 0.55 620.6 0.19 6.0 596.0 0.52 620.6 0.19 7.7 596.0 0.30 620.2 0.23 8.1 596.1 0.27 620.4 0.24 10.2 596.1 0.06 618.8 0.10 Tabla 1. Parámetros de los espectros de emisión del ion Eu(III) en solución acuosa a diferentes pH. (Condiciones inertes) La figura 4 muestra el cambio relativo de las intensidades de las dos transiciones consideradas en este estudio. En esta gráfica, la formación de complejos es fácilmente vista cuando se observa la inversión de las intensidades de las dos bandas a medida que el pH aumenta. pH h 3.2 0.36 4.9 0.36 6.0 0.37 7.6 0.78 8.1 0.91 9.1 1.54 10.2 1.75 Tabla 2. Relación de las intensidades (h) de las transiciones 5D0 7F2 y 5D0 7F1. Figura 3. Espectro de emisión del ion Eu(III) en solución acuosa bajo condiciones inertes. Figura 4. Superposición de los espectros de emisión con el fin de facilitar la observación de la inversión de las intensidades. Cuando las moléculas de agua se separan de la esfera interna del metal, la simetría del complejo decrece y entonces el parámetro h aumenta. La intensidad de la fluorescencia del ion Eu(III) fue medida a diferentes pH para determinar el valor del mencionado parámetro. Los valores así calculados se muestran en la tabla 2. El incremento gradual de h sugiere la formación paulatina de los complejos hidróxidos de Eu(III) a partir de pH igual a 6 (figura 5). Los cálculos de formación de especies realizado con el software PHREEQ (PHREEQ, 201) muestran la formación de Eu2OH2+4 (aproximadamente 40% alrededor de pH 6) y otras especies a pH más altos (figura 2). Estos resultados están de acuerdo con los reportados por Lee et al, 1995 quienes usaron espectroscospía láser para estudiar el espectro de excitación de la transición 7F0 5D0. Ellos encontraron que la formación de los complejos hidróxidos de Eu (III) fue significante a partir de pH 6. Cuando los experimentos se realizaron a condiciones atmosféricas y una fuerza iónica de 0.1M, el parámetro h mostró un notable aumento en comparación con los experimentos llevados a cabo en soluciones acuosas con fuerza iónica 0 y condiciones inertes (figura 6). Esto es posiblemente debido a la formación adicional de nitratos a bajos pH y bicarbonatos y carbonatos a valores de pH superiores. El resultado de los cálculos teóricos de la formación de estas especies se presenta en la figura 2. El valor de h se incrementa continuamente pero a pH igual a 9.9 se observa un decrecimiento debido posiblemente a la precipitación de los carbonatos. Así mismo se observa que la posición del pico correspondiente a la primera transición muestra un desvío hacia longitudes de onda más bajas si se compara con los resultados de los experimentos realizados bajo condiciones inertes (tabla 3). 15 El análisis de la fluorescencia de un precipitado (posiblemente una mayor parte de Eu(OH) 3 (s) ) preparado bajo condiciones inertes mediante la elevación del pH de una solución acuosa 0.2M de Eu, mostró un espectro con intensidades mucho más altas que el de las soluciones acuosas (figura 7). Cuando el precipitado se preparó bajo condiciones atmosféricas, el espectro de fluorescencia presentó un primer pico más amplio y una joroba en el segundo, debido posiblemente a la presencia de carbonatos. Figura 5. Valores de h vs. pH pH Posición Intensidad 5D 7F 5D 7F 0 1 0 1 Posición Intensidad 5D 7F 5D 7F 0 2 0 2 h 5.3 595.6 0.14 619.9 0.08 0.54 6.3 595.6 0.14 620.2 0.08 0.58 7.0 595.5 0.10 619.7 0.11 1.08 8.0 595.5 0.07 619.0 0.14 1.84 9.9 595.9 0.10 618.7 0.18 1.78 Tabla 3. Parámetros de los espectros de emisión de las soluciones acuosas de Eu(III) preparadas bajo condiciones atmosféricas. (a) (b) Figura 6. Espectros de emisión de las soluciones de Eu(III) preparadas bajo condiciones atmosféricas y fuerza iónica de 0.1M. 16 Figura 7. Espectros del precipitado de europio. a) Condiciones inertes b) Condiciones atmosféricas (a) (b) Se hicieron análisis de descomposición de los espectros a algunas muestras seleccionadas con el fin de observar el comportamiento de las diferentes especies presentes. Para este análisis se utilizó la aplicación ajuste de picos (denominada también descomposición de picos) del software Grams/32 AI 6.0 (Galactic industries Corporation). Esta aplicación se basa en el método Levenberg Marquardt, el cual es un método iterativo que se inicia con la asignación de un conjunto de parámetros a los picos que van a ser analizados; estos parámetros son modificados hasta que un valor mínimo de c2 (bondad del ajuste) es alcanzado. Para este análisis una función Gausiana fue escogida con una sensibilidad mediana. La transición hipersensitiva muestra dos picos diferentes tanto a pH 8 como pH 9.9. Ambos picos presentan intensidades más altas a pH 9.9 y la relación de intensidades también cambia con referencia a pH 8, lo cual puede indicar que la cantidad de especies presentes también cambia. (Tabla 4). pH Posición pico Intensidad (1) Posición pico Intensidad (2) Relación (1)/(2) 8.0* 617.41 0.0849 622.15 0.0921 0.92 9.9* 617.34 0.1239 622.49 0.1166 1.06 10.2+ 617.42 0.0689 623.34 0.0686 1.00 * Condiciones atmosféricas + Condiciones inertes Tabla 4. Datos sobre la descomposición de los espectros En las muestras a pH 8 y 9.9 la presencia de CO2 en el ambiente puede influenciar la posición de los picos, lo cual puede observarse al comparar estos valores con los de la muestra en condiciones inertes. CONCLUSIONES (c) Figura 8. Descomposición delos espectros de fluorescencia de las soluciones de Eu(III). Las soluciones a y b fueron preparadas a condiciones atmósfericas y la solución c bajo condiciones inertes. a) pH 8 b) pH 9.9 c) pH 10.2. El estudio de fluorescencia mostró que la hidrólisis de Eu(III) empieza a valores de pH más altos que 6. A valores < 6 no se observaron diferencias en los espectros. La formación de compuestos debido a la hidrólisis implica que la posición de la banda 17 hipersensitiva sea trasladada a longitudes de onda menores (energías más altas) y en la presencia de carbonatos ambas bandas se manifiestan a longitudes de onda aún menores y el parámetro h incrementa su valor. La información aquí recopilada es de gran utilidad cuando se hacen estudios de fluorescencia en procesos de adsorción en sistemas binarios y ternarios que impliquen la presencia de Eu(III). Lee, B.H., Park, Y.J., Monn, H. Identification of Europium (III) hydroxide formation by Eu(III) luminiscence spectroscopy. Bulletin of Korean Chemistry Society. 16(7), 654, (1995) REFERENCIAS Mason, S.F., Peacok, R., Stewart, B. Dynamic coupling contributions to the intensity of hypersensitive lanthanide transitions.Chem. Phys. Lett. 29, 149.1974. Eftink M.R. Fluorescence techniques for studying protein structures.[In:] C. H. Suelter. (Eds.) Fluorescence techniques for studying protein structures. New York: John Wiley & Sons. (pp. 127-205). (1991). Elbanowiski, M., Lis, S., Makowska, B., Konarski, J. Fluorescence of lanthanide(III) complexes in aqueous solutions. The influence of pH and solution composition. Monatshefte für Chemie. 116, 901, (1985). Elbanowski, M. and Mkowska B. The lanthanides as luminescent probes in investigations of biochemical systems. Journal of photochemistry and photobiology A: Chemistry. 99, 85-92, (1996). GRAMS/32 AI. Users guide. Galactic Industries Corporation. ã 1991-2001. Laor, Y., W. J. Farmer, Y. Aochi and P. F. Strom. Phenanthrene binding and sorption to dissolved and to mineral-associated humic acid. Water Res. 32: 1923-1931.( 1998). Latva, M., Takalo, H., Mukkala, V-M., Kankare, J. Evaluation of solution structures of highly luminescent europium (III) chelates by using laser induced excitation of the 7F0- 5D0 transition. Inorg. Chim. Acta, 267, 63, (1998). 18 Lis, S., Konarski, J., Hnatejko, Z., Elbanowski, M. A luminescence study of Eu(III) and Tb(III) complexes with aminopolycarboxylic acid ligands. J. Photochem. Photobiol.A: Chem.79, 25. (1994). Meloan, CE. Instrumental analysis using spectroscopy. Lea & Febiger. Philadelphia, (1964). Nayan, R., Dey, A. K. Role of hydroxo species of lanthanides in metal-complex equilibria with xylenol orange as a polydentate ligand. Journal of the Indian Chemical Society. 54, 192, (1977). Pesterfield, Lester Leodis. High-resolution luminescence spectroscopy of selected europium(III) ion complex salts. Ph.D. Thesis. The University Of Tennessee. (1991) PHREEQ . Version 2.5.0.2001. USGS.2001. Takahashi, Y., Kimura, T., Kato, Y., Minai, Y., Tominaga, T. Characterization of Eu(III) species sorbed on silica and montmorillonite by laser- induced fluorescence spectroscopy. Radiochimica Acta. 82, 227, (1998). Traina S.J., Chattopadhyay, 1996. Spectroscopic methods for characterizing surface-sorbed organic contaminants: Applications of optical, electronic measurements. In CMS Workshop Lectures, Vol. 8. Organic Pollutants in the environment. Sahwney, B. ed. The Clay Minerals Society, Boulder, CO.pp.173-197. IMPLANTACIÓN IÓNICA H.J. Dulcé Moreno1 , V.D. Dougar-Jabon°, P. A. Tsygankov* Universidad Francisco de Paula Santander, A.A.1055 Cúcuta, Colombia ° Universidad Industrial de Santander, A.A.678 Bucaramanga, Colombia * Moscow Bauman State Technical University, Moscow, Russia RESUMEN En este trabajo se presenta una revisión de las diferentes técnicas de implantación de iones desde los implantadores por haces iónicos, utilizados en la fabricación de semiconductores, pasando por una serie de desarrollos con base en la tecnología de la física del plasma, hasta llegar a la técnica denominada Implantación Iónica Tridimensional (3DII). Para cada una de las técnicas de implantación iónica se presentan los dispositivos más comunes y se analizan sus características principales. Para el caso de la Implantación Iónica Tridimensional se describe el equipo JUPITER (Joint Universal Plasma and Ion Technologies Experimental Reactor), único en el mundo, para la investigación de descargas pulsadas de alto voltaje a bajas presiones y para el tratamiento superficial de materiales. Este dispositivo se implementó en el Laboratorio de Física del Plasma y Corrosión de la Universidad Industrial de Santander, con la colaboración financiera de COLCIENCIAS y con la cooperación de la Universidad Técnica Estatal Bauman de Moscú. de tratamiento superficial avanzado que logren mejorar propiedades de los materiales tales como: microdureza, resistencia al desgaste por fricción, resistencia a la corrosión, etc. No hay duda que el progreso en estas ramas está ligado ante todo con los éxitos en el diseño y construcción de dispositivos que, como resultado de amplios estudios y del control de los procesos que en ellos se suceden, logren la producción de materiales con propiedades tribológicas predeterminadas de acuerdo con una necesidad específica. Desde los años 70 se realizan investigaciones intensas en el área de tratamiento de superficies de materiales de construcción por haces de partículas cargadas y especialmente por haces iónicos. Dependiendo de la energía con la que los iones llegan a una superficie puede prevalecer uno de tres procesos diferentes (ver figura 1). Si la energía es muy baja (hasta decenas de electrón-voltios) los iones se depositan en la superficie, creándose un recubrimiento película delgada. Si la energía es mayor (algunos centenas de electrón-voltios) predomina un proceso de chisporroteo de la superficie (conocido como sputtering), dicho proceso es útil para limpieza superficial o para evaporar materiales en procesos de recubrimiento. Finalmente, a energías mucho mayores (desde 5 kilo-electrón-voltios hasta algunos Mega-electrón-voltios), los iones penetran dentro de la superficie sólida incrustándose a una profundidad de varias capas atómicas. Este proceso se conoce como implantación iónica (Molera, 1991). PALABRAS CLAVES: Implantación iónica tridimensional, descarga de alto voltaje, nitruración. 1. INTRODUCCIÓN Uno de los problemas de más actualidad en la industria metalmecánica de alta tecnología, y en la fabricación de aparatos de precisión, es el desarrollo de técnicas 1 hdulce@col1.telecom.com.co Figura 1. Tipos de procesos según el potencial acelerador 19 Las tecnologías iónicas se refieren por su realización técnica a métodos vacío-plásmicos que permiten producir capas modificadas con adhesión del 100% al material tratado, diferenciándose y superando en este aspecto a los métodos tradicionales de aplicación de recubrimientos en vacío (magnetrón, acelerador, chisporroteo resistivo o activo). químicos, destrucción de composiciones originales, difusión estimulada por radiación, etc., y el producto final del tratamiento es una resultante de todos estos (Sharkeev, et al, 1997). Por lo anterior hasta el presente no se ha elaborado una teoría completa que abarque y determine en su totalidad el proceso de modificación de una superficie por un haz iónico. En el proceso de implantación de iones acelerados tiene lugar la modificación en las capas superficial y subsuperficial del material original sin cambio en las dimensiones geométricas de la pieza tratada y no se presenta, como en el caso de chisporroteo, una frontera bien definida capa material original con diferentes características físicas (por ejemplo, diferente coeficiente de expansión térmica). En este sentido este método es próximo a los procesos tradicionales de saturación de superficies de materiales sólidos con adición de aleado tales como nitruración, carbonización, cementación con boro, etc. Es muy importante tener en cuenta que el mecanismo de adición difiere radicalmente ya que la concentración de aditivo se determina no por las constantes de difusión del proceso en equilibrio de saturación de la superficie sino por las interacciones cinéticas del ion, acelerado hasta decenas kilo-electrón-voltios, con la red cristalina del material a tratar (Ziegler, et al, 1985). Una consecuencia de esta diferencia es que la concentración del elemento implantado puede alcanzar un 20-70% en comparación con 3-7% que es común para los procesos de difusión. Con todo esto el tratamiento por implantación no se acompaña por calentamiento significativo del material tratado que es una ventaja muy grande frente a los métodos físicoquímicos donde la temperatura del procesamiento es alta, en algunos casos supera la temperatura de transformación de fase. Una temperatura alta puede producir deformación de las piezas tratadas. Entre los principales mecanismos que producen endurecimiento de metal se pueden mencionar algunos: creación de composiciones químicas, defectos por radiación de la red cristalina, formación de capas subsuperficiales que provocan la tensión compresión extensión en la superficie de material. Todavía no existe una solución al problema de determinar con exactitud cual es el efecto de modificación y el comportamiento de la capa que se desgasta ya que el grosor de capas obtenidas por implantación iónica en la mayoría de los casos no supera un micrómetro (10-6 m). Sin embargo los resultados impresionantes en la modificación de las propiedades tribológicas de materiales por los métodos de implantación iónica han obligado a los investigadores a buscar los métodos óptimos de la nueva tecnología, y a diseñar equipos con tecnologías especializadas. El ion frenado en el material participa y estimula una gran cantidad de procesos a nivel superficial y subsuperficial: crecimiento y traslación de dislocaciones, formación de nuevos compuestos 20 Una razón por la que no se utiliza ampliamente en la industria este método es la no existencia de un equipo simple, seguro y económico. 2. DESARROLLO DE LAS TÉCNICAS DE IMPLANTACIÓN IÓNICA La implantación iónica se ha usado durante más de 40 años en la industria de semiconductores debido a las posibilidades únicas en la formación de capas de grosor predeterminado con una conductividad seleccionada a una profundidad dada dentro de una base semiconductora. Desde la mitad de la década de los 60 todos los equipos industriales se diseñaban para funcionar con elementos microelectrónicos en condiciones específicas de fabricación. En primer lugar se debía dar una organización del proceso de fabricación en condiciones de alto vacío (HV, presiones no mayores a 10-3Pa) donde se minimizaban las posibilidades de contaminación del semiconductor por impurezas especialmente en la zona de ubicación de la base (blanco); en segundo lugar se debía conseguir una dosis de iones a implantar generalmente baja (hasta 1020 m-2) con energía hasta 1x106 eV; en tercer lugar se debía cumplir con exigencias rígidas para separación por masas de los iones a implantar, homogeneidad energética de iones, barrido regular del haz iónico sobre la superficie plana del blanco y precisión de focalización. Los esfuerzos hechos en esta área permitieron, al inicio de los años 80, crear unos equipos efectivos y perfectos para aleación iónica de semiconductores (Ziegler, 1992). Entre las empresas que construyeron y aún producen equipos industriales para implantación iónica se pueden mencionar: Eaton Corporation (USA), Balzers (Lichtenstein), Nissan Electric (Japan), Hitachi (Japan), Varian Corporation (USA), Vesuvio (Russia). En la década de los 70 se prestó atención a las posibilidades de la tecnología de implantación iónica en el área de modificaciones de materiales metálicos. Se obtuvieron resultados positivos que mostraron cambio significativo de las propiedades tribológicas de metales, aumento de la resistencia a la corrosión, aumento de resistencia a la fatiga de metales. Los resultados más completos de las investigaciones en esta etapa de desarrollo de los métodos de implantación iónica para los materiales de construcción se colectan en una monografía (Hirvonen, 1980). Las investigaciones se realizaron en equipos modernizados (originalmente destinados para tratamiento de semiconductores) que fueron adecuados para experimentos de laboratorio. Al inicio de los años 80 se comprendió que el método de implantación iónica poseía un valor práctico en el mejoramiento de las propiedades superficiales de los materiales, y una serie de empresas comenzaron a diseñar equipos especializados. Muchos equipos fabricados en los 80 tienen lunares de los equipos antecesores destinados para fabricación de semiconductores. Uno de los equipos industriales más perfectos construidos con un esquema tradicional para implantación iónica de materiales es el equipo de la empresa Danfysik (Denmark), serie 1090- 200 (Streade, 1989). Este equipo está diseñado según un esquema clásico de la técnica de fabricación de semiconductores representado en la figura 2, y que como se puede observar incluye: - fuente iónica y sistema de extracción de iones (1), - separador de masas (2), - sistema de aceleración de iones (3), - sistema de formación y de barrido de haz iónico sobre un material a tratar (4), - cámara de tratamiento con una mesa especial multicoordenada y móvil sobre la cual se colocan los objetos a tratar (5), - sistema de vacío (6). Figura 2. Esquema de un implantador para fabricación de semiconductores. La dosis de iones implantados con la cual se manifiestan efectos en la superficie de los materiales es significativamente mayor que la requerida en la producción de semiconductores. Para garantizar productividad aceptable de los equipos industriales se utilizan fuentes iónicas que logren valores grandes de corriente de iones y que tengan la posibilidad de generar iones de metales, gases simples y complejos. En el implantador Danfysik 1090-200 se utiliza una fuente iónica plásmica Chordis 920 con la corriente de salida 4x10-2 A. La fuente se adiciona con un sistema de chisporroteo para metales refractarios. Tal fuente permite alcanzar una corriente en haz mayor que 21 5x10-3 A para N+ y Ar y 2x10-3 A para Ti+, Y+, Ni+. El sistema de separación de masas garantiza resolución en masas M/DM = 200, que permite manejar la composición isotópica del haz. Después de la separación los iones unicargados se aceleran hasta 2x105 eV y se barre en dos coordenadas X-Y sobre la superficie plana de dimensión 0,40 m x 0,40 m. La potencia media consumida es de 6,0x10 4 W aproximadamente. El área ocupada por el equipo es 48 m2, la altura máxima del equipo es 3 m. La cámara de tratamiento donde se ubica la mesa de manipulación es de 0,6x0,6x0,7 m3. La mayoría de las piezas industriales a tratar tienen configuraciones complejas no planas que obliga a utilizar sistemas de rotación y traslación para tratamiento uniforme de las piezas por todos lados. Sin embargo es preferible garantizar el ángulo de incidencia de iones normal ya que una desviación de 30° respecto a la normal produce disminución de la dosis implantada en 1,2 a 2 veces. En algunos casos esto no es aceptable, no solo debido a la caída en la productividad del tratamiento sino a la pérdida de calidad, especialmente para detalles que funcionan en condiciones de carga. Para resolver este problema se diseñaron sistemas de manipulación complejos y costosos, ya que debían funcionar en ultra alto vacío (UHV). Además estos sistemas debían garantizar enfriamiento de los materiales que se calientan bajo el haz iónico. El sistema de manipulación de muestras es una parte de todos los equipos de implantación fabricados a partir de los haces iónicos. Otros dispositivos de implantación iónica industrial que se han construido según el esquema clásico son: el equipo KAX-1000 de la empresa ULVAC (Japan) que produce una corriente iónica 5x10-3 A con una energía de 7,0x104 eV y el equipo ManTech de la empresa Spire (USA) que fue desarrollado con base en el implantador comercial para semiconductores de la empresa Eaton (USA). Los estudios de las propiedades de materiales implantados con haces iónicos demostraron que no 22 hay restricciones rígidas sobre composición (especialmente isotópica). Esto permitió obviar los sistemas de separación de masas en equipos especializados, produciendo un aumento en la productividad y disminución significativa en el costo de equipos. Algunos cambios en el esquema clásico fueron hechos por las empresas Leybold AG (Alemania) en los equipos LION6000 y Zymer Inc. (USA) modelo Z-100. El implantador LION6000 tiene en su composición una fuente de radiofrecuencias que funciona en condiciones de resonancia ciclotrónica electrónica a una presión de 10-2 Pa (Korber and Munz, 1989). Debido al alto grado de ionización del gas de trabajo se logra generar una densidad de la corriente iónica de 20 A/m2. El voltaje de aceleración puede alcanzar 1,5x105 V y la corriente iónica 4,0x10-3 A. En el diseño Z-100 los especialistas no prescindieron del sistema de barrido (scanning bidimensional) pero aplicaron esfuerzos máximos para simplificar el manejo y explotación del equipo, es decir buscaron garantizar manejo del equipo por un personal no muy calificado (Denholm and Wittkower, 1985). Esta propiedad junto con las posibilidades técnicas provocó una difusión amplia del implantador. Las ideas y éxitos tecnológicos que ocurrieron en el proceso de creación de motores de propulsión de apertura ancha para aparatos cósmicos dio origen a la generación siguiente de equipos para tratamiento iónico de materiales, estos resultaron ser más económicos y más simples en servicio, sin sistemas de separación de masas y de barrido. Como ejemplo de este tipo de equipo vale la pena mencionar un implantador diseñado en Colorado State University en la base de un motor de propulsión iónico creado en la NASA (Destefani,1988). Este sistema garantiza una corriente hasta 5x10-2 A con energía de 8x104 eV. El implantador del Centro Tecnológico DIANA-2 de Tomsk (Rusia) pertenece al tipo mencionado arriba y tiene parámetros que prácticamente coinciden con el equipo de la Colorado State University. Al estudiar el historial del desarrollo de equipos para la implantación iónica de materiales es posible distinguir dos tendencias: simplificación del esquema funcional (a cuenta de renuncia del sistema de separación de iones y de barrido) y disminución de energía de iones implantados con aumento simultáneo de densidad de la corriente iónica, que produce un crecimiento en la productividad del equipo. Por ejemplo, un implantador inicial de la empresa Nissan Electric generaba iones con energía de 1x106 eV, pero ahora el rango más usado es 3x104 8x104 eV. Esto teniendo también en cuenta los procesos combinados que se observan bajo haces iónicos de alta energía. Entre estos procesos los más conocidos son: - mixing, es decir mezclado de materiales de base y de la capa chisporroteada, - penning, que consiste en el proceso de incrustar un recubrimiento en el material de base, utilizando iones pesados de alta energía, para aumentar la adherencia. A pesar de que la tecnología de tratamiento por haces alcanzó un grado alto de perfeccionamiento y de seguridad presentaba una desventaja esencial el tratamiento en línea recta (line of sight). La utilización de sistemas complejos de manipulación de las piezas a tratar resolvía solamente parcialmente este problema, ya que no permitía procesar con la misma calidad todas las partes de una pieza de forma compleja. Adicionalmente los sistemas de manipulación debían funcionar en ultra alto vacío aumentando significativamente el costo de todo el equipo. En resumen un equipo para tratamiento de materiales por haces iónicos requería: - una cámara de vacío con la presión residual en el nivel de 10-2 Pa donde se pudiera colocar una mesa móvil de tres coordenadas con un sistema de enfriamiento por agua. La mesa debía permitir la ubicación de las muestras; - una fuente de iones con un sistema de aceleración de haz iónico hasta 3x104 8x104 eV y densidad promedia de corriente en la superficie de la muestra de 0,1- 1,0 A/m2. El tratamiento puede considerarse de alta calidad si el equipo garantiza: - la monoenergecidad de los iones del haz, - la incidencia normal de los iones sobre la superficie a tratar, - la posibilidad de control y manejo de la temperatura de la muestra, incluso sostenimiento en un nivel significativamente menor al valor de las temperaturas características de estabilidad de los materiales a tratar (100-200ºC), - la formación de haces iónicos tanto de gases como metales, - una velocidad de tratamiento aceptable (rapidez de alcance de dosis de 2x1021 iones/m2 en un nivel no menor a 2x105 3x105 s/m2). Un método completamente diferente al esquema clásico lo propuso J. K. Conrad (Universidad de Wisconsin, Madison, USA) (Conrad, 1988). El método se denomina -Plasma Source Ion Implantation- (PSII). En este método una pieza a tratar se coloca en la cámara de vacío conectada a tierra. Con una fuente adicional (RF o DC) se forma el plasma de una densidad de 1013 1014 m-3 y después entre la pieza (cátodo) y las paredes de la cámara (ánodo) se aplica un pulso de alto voltaje (decenas de kilo-Voltios). Alrededor de la pieza se forma una capa plásmica donde los iones del gas de trabajo se aceleran hasta energías de implantación. Los iones acelerados bombardean la superficie a tratar bajo ángulos cercanos a la normal y penetran efectiva y simultáneamente en la pieza por todos los lados eliminando la necesidad de manipulación. En este equipo no se encuentra la mesa de manipulación, y pasa a un primer plano el problema de garantizar una efectividad aceptable con el cumplimiento de las exigencias de tratamiento de calidad. Los métodos plásmicos de tratamiento superficial en los cuales la pieza a tratar sirve como cátodo no son nuevos y se utilizan ampliamente en tecnologías industriales (Conrads and Schmidt, 2000). Entre ellos se puede mencionar: - limpieza en la capa catódica de descarga 23 luminiscente y chisporroteo (sputtering) catódico a bajos voltajes en el rango 0,1-3 kV, - tratamiento físico-químico de materiales de construcción en medios activos (0,3-1,0 kV) (Von Grun, 1987), - chisporroteo en vacío (magnetrón) bajo el voltaje de 0,05-2 kV (Munz, 1991). Como base de todos los métodos de tratamiento superficial vía plasma se encuentran las descargas de bajo voltaje, más conocidas como descargas luminescentes (Chapman, 1980). La diferencia principal del proceso de implantación vía plasma con los métodos mencionados está en la necesidad de crear un flujo iónico, hacia un objeto, con energías de algunas decenas centenas de kilo-electrón-voltios. Esta exigencia cambia la situación cualitativamente. Es claro que se requiere generar una descarga de alto voltaje. La tecnología PSII (Plasma Source Ion Implantation) se realiza con un tipo de descarga de alto voltaje que fue descubierto y estudiado con anterioridad (Alexeff, et al, 1969; Widner, et al, 1970; Widner, et al, 1971). En esta tecnología primero se enciende un plasma de baja densidad por una fuente independiente (fuente con un cátodo calentado, descarga de radiofrecuencias) bajo la presión del gas de trabajo (nitrógeno, helio, hidrógeno, argón o metano) de 1,3x10-3 Pa hasta 1,3x10-1 Pa. Sobre esta descarga se aplica un pulso de alto voltaje (hasta 1x105 V) con duración de 1x10 -5 3x10 -5 s, y frecuencia de repetición de 100 Hz que garantiza una corriente media de 2x10-3 A. Un interés industrial en el método PSII obligó, a finales de los años 80, a iniciar tales desarrollos a grandes universidades, centros científicos y laboratorios industriales como: ASTeX, University of Tennessee, General Motors Research Laboratory, Hughes Research Laboratory, Varian Associates Inc. entre otros (Conrad, 1989) . Pero hasta la fecha los implantadores tipo PSII no han encontrado todavía una aplicación amplia, en 24 la industria metalmecánica, ya que se han encontrado una serie de dificultades significativas. Al aplicar un pulso de alto voltaje sobre un plasma de baja densidad, previamente generado, se presenta un desplazamiento de iones extraídos de zonas cercanas al objeto - cátodo. A medida que disminuye la población de iones de estas capas se observa un desplazamiento de la frontera de la región de escasa carga espacial positiva alejándose más y más del cátodo. Una representación de este fenómeno se puede observar en la figura 3. La envoltura plásmica que abarca el objeto a tratar se desplaza durante el pulso de descarga. Su grosor original (a) se determina por la densidad del plasma, la geometría de la pieza a tratar y el potencial aplicado (Conrad, 1987; Scheuer, et al, 1991; Tian, et al, 1999; Valentini, 2000; Berktusunova and Demokan, 2001). La expansión siguiente (b), (c) y (d) depende de la temperatura del plasma y de las masas de los iones. Por ejemplo, en el proceso de implantación de iones de nitrógeno en un cilindro del radio de 1 cm bajo el potencial de 1x105 V la envoltura inicial es de 4x10-2 m y se expande con la velocidad iónico-acústica 2,5x104 m/s. Luego la duración de un pulso debe ser lo bastante pequeña para que la envoltura expandida no entre en contacto ni con las paredes de la cámara ni con envolturas de los objetos próximos cuando se implantan simultáneamente varias piezas. Figura 3. Representación de la expansión de la cobertura en PSII En la figura 4 se presentan los pulsos de corriente y de voltaje típicos del método PSII (Shamin, et al, 1991a; Shamin, Conrad, et al, 1991b). El comportamiento de la corriente de descarga, que ha sido motivo de muchos estudios tanto experimentales como teóricos (Conrad, 1987; Lieberman, 1989; Madapura, et al, 1989; Qiu, et al, 1990; Qiu, et al, 1991; Emmert, et al, 1992; Tang, et al, 1993; Shamin, et al, 1995; Hong and Emmert, 1995; Rej, et al, 1997; Zeng, et al, 1998; Bektursunova and Demokan, 2001), se caracteriza por una caída prácticamente exponencial en la parte derecha del máximo que confirma el fenómeno de movimiento de la envoltura. La duración y la dinámica de la frontera del pulso de la corriente son consistentes con el comportamiento del pulso de voltaje. Figura 4. Pulsos de voltaje y corriente típicos de PSII El voltaje aplicado al cátodo permanece constante durante aproximadamente 7 ms, durante el tiempo restante cae. El tiempo relativamente pequeño de mantenimiento del voltaje en un nivel constante en comparación con el tiempo de formación de la frontera delantera y el tiempo de caída de pulso hace que el flujo iónico que incide sobre el objeto (durante un tiempo significativo no menor que 50% de la duración del pulso) tenga un espectro significativamente no monoenergético. Este fenómeno se confirma por la distribución de los iones implantados dentro del material tratado (Conrad, 1989). Esto se encuentra en contradicción con una de las exigencias principales para el tratamiento de calidad. Además de un espectro energético amplio de iones se puede producir un chisporreteo significativo de la superficie, incluso de capas ya implantadas, lo que a su turno puede tener como consecuencia la disminución de la dosis realmente alcanzable. Entre otros elementos específicos de equipos PSII vale la pena mencionar un sistema de imanes permanentes que se utilizan para aumentar el confinamiento de los electrones en el volumen plásmico. Esto sin duda requiere de una construcción compleja que aumenta el costo del equipo. La tecnología de implantación iónica por inmersión (Plasma Immersion Ion Implantation, PIII) (Qin, et al, 1992; Matossian, et al, 1997; Liu, et al, 1998a) se desarrolló con el propósito de solucionar dos problemas del PSII. En primer lugar, el relacionado con las dificultades de conmutación de las fuentes generadoras del plasma inicial y del pulso acelerador de los iones hacia la muestra (cátodo). El segundo, minimizar el efecto de desplazamiento de la cobertura. Para lograr estos propósitos se agrega al esquema del PSII un tercer electrodo donde se ubica la muestra a tratar y se alimenta con el pulso de alto voltaje que atrae los iones hacia él, independizándolo de los electrodos que generan el plasma inicial (Liu, et al, 1998b; Liu, et al, 1998c; Chu and Cheung, 1998; Mandl, et al, 1998;Tang, et al, 1998). Esta modificación solucionó el problema de la alimentación, pero no el del desplazamiento de la envoltura, ya que la técnica PIII sigue presentando los mismos inconvenientes que la PSII (Lieberman and Lichtenberg, 1994; Tian, et al, 1999; Berni, et al, 2000; Husein, et al, 2000). En resumen, se pueden enumerar como principales desventajas de las técnicas PSII y PIII fundamentadas en las descargas de alto voltaje con envoltura móvil: - los ángulos de incidencia de los iones sobre la superficie de un objeto pueden ser diferentes del 25 normal que conduce a la no-homogeneidad de tratamiento del objeto, - el espectro energético de los iones no es controlable y no es monoenergético. Una solución al problema de control del espectro energético de los iones y de garantía de la calidad del proceso se obtendría al conservar la idea del tratamiento por flujos iónicos desde la frontera plásmica de la capa catódica (la idea de PSII) pero con la capa catódica de la descarga de alto voltaje inmóvil y de grosor pequeño. La solución a este problema fue hallada por Kvesyuk y Tsygankov mediante el desarrollo de una nueva tecnología denominada Implantación Iónica Tridimensional 3DII (Khvesyuk and Tsygankov, 1997). El método 3DII se fundamenta en la descarga de alto voltaje y baja presión que se enciende en la rama izquierda de la curva de Paschen. Los pioneros en el estudio de este tipo descarga fueron Klarfeld y Pokrovskaya-Soboleva (Pokrovskaya-Soboleva and Klarfeld, 1957). El conocimiento moderno sobre los procesos físicos que tienen lugar en descargas en la rama izquierda de la curva de Paschen es discutido por McClure (McClure, 1961). Las propiedades específicas de este tipo de descarga son las siguientes: - la descarga se enciende y se mantiene bajo la diferencia de potencial entre los electrodos en el rango desde decenas hasta centenas kiloelectrón-voltios, - la descarga es auto sostenida es decir no necesita de un plasma de soporte, - el voltaje de mantenimiento de la descarga coincide con el voltaje de encendido, - la descarga tiene estructura estacionaria durante todo el periodo después de su formación (periodo de mantenimiento de la descarga) con una capa catódica de grosor pequeño donde cae prácticamente todo el voltaje aplicado. Esta capa adquiere la forma del cátodo (un objeto metálico). Inicialmente estas descargas se utilizaron como conmutadores en equipos que necesitan transmisión de grandes corrientes (hasta 1x104 A) a altos voltajes 26 (hasta 1x105 V). Sin embargo son más conocidas sus aplicaciones como base de fuentes de electrones de alta energía. La tecnología 3DII aprovecha las propiedades específicas de la descarga en la rama izquierda de la curva de Paschen con el propósito de implantar iones en metales, semiconductores y cerámicas. El primer estudio de la descarga y los primeros experimentos sobre implantación de iones realizados por el método 3DII demostraron una ventaja significativa de esta tecnología frente a la tecnología PSII (Khvesyuk and Tsygankov, 1997). El parámetro más importante a tener en cuenta en las tecnologías de implantación es el grado de monoenergicidad de iones. En la figura 5 se dan los perfiles de distribución de iones de nitrógeno por profundidad en un blanco de Silicio obtenidos por ambos métodos. Al observar dichos perfiles se puede concluir que la distribución obtenida en el equipo 3DII corresponde mejor a las exigencias de la tecnología de implantación de iones. Figura 5. Perfiles Auger de implantación de N2+ en silicio para 3DII (arriba) y PSII (abajo) En la actualidad solo existe un equipo construido en concordancia con la tecnología 3DII, este es el JÚPITER del Laboratorio de Física del Plasma y Corrosión de la Universidad Industrial de Santander. A pesar de que el JÚPITER esta basado en el equipo antecesor de laboratorio 3DII (que ya no existe) difiere significativamente de su prototipo, especialmente en la parte electrónica y parámetros del generador de alto voltaje. Además por su productividad (velocidad de aumento de dosis) y sus dimensiones es un equipo que se puede considerar como semi-industrial. El dispositivo JUPITER que se fundamenta en las descargas pulsadas de alto voltaje a bajas presiones, posee los parámetros de pulso: duración hasta 2,5x10 -3 s, frecuencia de repetición hasta 60 Hz y voltaje hasta 6x104 V. Con los anteriores parámetros se garantiza la implantación de iones cuasi monoenergéticos con un ángulo de incidencia normal a la superficie de los materiales a tratar; además se consiguen altas dosis de átomos implantados en cortos tiempos de tratamiento, dichas dosis son suficientes para mejorar propiedades tribológicas de aceros al carbón tales como: aumento de la resistencia a la corrosión, disminución de la permeación de hidrógeno, etc. A partir de los resultados experimentales obtenidos y la experiencia de manejo se puede afirmar que el equipo JUPITER por su productividad, monoenergecidad de iones, ángulo de incidencia, simplicidad en manejo, servicio de los sistemas del equipo, y seguridad, es más eficiente que los equipos existentes y reportados hasta la fecha (Dougar, et al, 2002). Este equipo se puede utilizar para el mejoramiento de piezas que funcionan en condiciones severas; por ejemplo sierras que cortan madera sin enfriamiento, etc. En la figura 6 se presenta un esquema comparativo donde se puede observar el desarrollo de las técnicas de implantación: se inicia con la implantación por haces iónicos (IBI), que requieren montajes complejos y sistemas de ultra alto vacío (UHV). Se pasa por las técnicas tradicionales de implantación con base en la tecnología de los plasmas (PSII y PIII), que trabajan en un régimen de bajo vacío (LV) y que utilizan una combinación de fuentes DC o RF, para generar un plasma previo, y fuentes pulsadas de alto voltaje (HVP) con pulsos de muy corta duración (del orden de ms), para atraer los iones hacia las superficies a tratar. Finalmente se llega a la tecnología de Implantación Iónica Tridimensional (3DII), que trabaja en un régimen de alto vacío (HV) y que utiliza descargas pulsadas de alto voltaje (HVP) con pulsos rectangulares de duración hasta 2,5 ms, los cuales realizan simultáneamente las dos funciones requeridas para una implantación iónica eficiente, es decir generan un plasma de alta densidad y atraen los iones hacia la superficie de las muestras que funcionan como cátodo, sin que se presente movilidad de la capa catódica. Figura 6. Evolución de las técnicas de implantación iónica. CONCLUSIONES El desarrollo de las técnicas de implantación iónica se ha dado fundamentalmente por dos razones; la primera, la necesidad de producir materiales semiconductores; la segunda, la búsqueda de técnicas de tratamiento superficial de materiales metálicos. En esta última han sido importantes los aportes de la tecnología del plasma. 27 La implantación iónica tridimensional (Three Dimentional Ion Implantation 3DII) permite adecuar, sin mayores costos, sistemas de implantación tradicionales aumentando significativamente la capacidad de funcionamiento de los equipos. Chapman B., Glow Discharge Processes, John Wiley, New York, (1980) 406p Chu P.K., Cheung N.W., Microcavity engineering by plasma immersion ion implantation, Materials Chemistry and Physics, 57, (1998) 1-16 REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS Denholm A.S., Wittkower A.B., Ion beam system for implanting industrial products of various shapes, Nuclear Instr. And Methods in Phys. Research, B6, (1985) 88-93 Alexeff I., Jones W.D., et al, Transient plasma sheathdiscovered by ion-acoustic waves, The Physics of Fluids, 12, No.2, (1969) 345-346 Berktusunova R.M., Demokan O., Perturbation analysis of sheath evolution, with application to plasma source ion implantation, J. Phys. D : Appl. 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RESUMEN WAP es la sigla del protocolo para aplicaciones inalámbricas (Wireless Application Protocol) y es el medio de transporte de las comunicaciones entre los dispositivos sin cable y servidores. La Universidad Francisco de Paula Santander contará a partir del segundo semestre de 2003 con un portal WAP que permitirá a los estudiantes e interesados, consultar la información de la institución utilizando los beneficios de un equipo de comunicaciones móviles (celular). En este artículo se describen brevemente las bases teóricas que fueron objeto de estudio para la realización del proyecto de la página WAP de la institución como lo es el estándar WAP, las capas del protocolo WAP, los componentes y el modelo de operación de un sistema WAP, y el lenguaje de programación para desarrollar aplicaciones WAP; además, se exponen los parámetros que se tuvieron en cuenta para la selección de la información que se desea mostrar en el portal y las herramientas utilizadas en la elaboración y montaje de la página de Internet Móvil de la Universidad Francisco de Paula Santander. El desarrollo de esta tecnología móvil ha permitido crear dispositivos electrónicos de bolsillo que conectan al usuario con la Internet; dichos dispositivos son cada vez más pequeños, más potentes y, a medida que aumenta la demanda, más baratos y asequibles. Estos dispositivos tienen la característica principal de movilidad que los hace interesantes y que los ha popularizado recientemente, entendiéndose por movilidad la capacidad de acceder a la información y los servicios en cualquier momento y desde cualquier lugar. Estas dos variables, tiempo y localización, fueron sin duda fundamentales para la implantación del servicio de Internet Móvil de la universidad. El desarrollo de este proyecto comenzó por la disponibilidad y accesibilidad del estándar WAP, y su objetivo principal es la elaboración del portal en Internet Móvil de la Universidad Francisco de Paula Santander. El portal WAP de la universidad ofrece información general como la visión, la misión y el símbolo de la institución entre otros, información académica como los planes de estudios que se ofrecen en la actualidad, información acerca de los medios de comunicación con los que cuenta la universidad e información detallada para cada estudiante como el horario de clases y materias matriculadas, logrando que cada usuario tenga su propia aplicación. 3. PALABRAS CLAVES WML, WMLScript, DTD, Gateway 2. INTRODUCCIÓN 4. BASES TEÓRICAS La evolución de la Internet converge con el crecimiento de las comunicaciones móviles a un sistema que se ha denominado Internet Móvil. La idea de acceder a la red desde cualquier lugar y en cualquier momento, es hoy día una realidad. 4.1 El estándar WAP WAP Forum (organización mundial de empresas relacionadas con las comunicaciones) fue la que creó el estándar WAP y es la encargada de controlar su evolución para asegurar el máximo grado de 31 interoperabilidad entre los dispositivos de los diversos fabricantes; por lo tanto, su principal función es la de adaptarse a las limitaciones propias de este tipo de informática sin cable, como la capacidad de memoria y potencia de proceso, la duración y potencia de la batería, el tamaño de la pantalla, el ancho de banda, la velocidad de conexión y la capacidad de interacción entre el usuario y la entrada de datos. 4.2 Protocolo WAP Las especificaciones WAP definen un conjunto de protocolos que afectan el funcionamiento de las aplicaciones (WAE), las sesiones de conexión (WSP), las transacciones (WTP), la seguridad (WTLS) y los niveles de transporte (WDP) permitiendo a los operadores, fabricantes y desarrolladores de aplicaciones hacer frente a los requerimientos de flexibilidad y diferenciación que exige cada vez el mundo de las telecomunicaciones sin cable. Para entender el modelo estructural de las capas WAP obsérvese la Figura 1. Entorno de Aplicaciones Inalámbricas (WAE) Protocolo de Sesión Inalámbrica (WSP) Protocolo de Transacción Inalámbrica (WTP) Seguridad de capa para transf. Inalámb. (WTLS) Datagramas (WDP) Dispositivos de hardware de red e inalámbrica. Figura 1. Modelo estructural de las capas WAP 4.2.1 Entorno de Aplicaciones Móviles (WAE) Su objetivo principal es facilitar el desarrollo de aplicaciones diseñadas en código de programación inalámbrico. 32 4.2.2 Protocolo de Sesiones Móviles (WSP) Es un administrador del estado de la sesión, que permite el envío de múltiples peticiones al servidor de forma simultánea sin esperar la respuesta de alguna de ellas, eliminando la necesidad de varias peticiones y respuestas sucesivas. 4.2.3 Protocolo de Transacciones Móviles (WTP) Tiene como función la segmentación y la reconstrucción de paquetes; adicionalmente, es el responsable de la confirmación de los paquetes y de la retransmisión de paquetes perdidos, no confirmados o corruptos. 4.2.4 Seguridad en la Capa de Transporte Móvil (WTLS) Proporciona seguridad y protección contra los ataques de negación de servicio y garantiza la seguridad mediante la encriptación de todos los datos de sesión. 4.2.5 Protocolo de Datagramas (WDP) Esta capa hace que las aplicaciones sean independientes del medio de transmisión proporcionando un formato de datos consistente; es decir, el medio de conexión entre el cliente y el servidor no influye en la transmisión de los datos. 4.3 Componentes de un sistema WAP A continuación se enuncian los componentes que conforman un sistema WAP: Cliente: Usuario del teléfono móvil adaptado a WAP. WAP Gateway: Elemento encargado de adecuar los contenidos de Internet al entorno móvil. Web Server: Elemento que aloja el contenido de la página WAP. 4.4 Modelo de operación WAP La ruta de petición y devolución de datos en la plataforma WAP se realiza de la siguiente manera (véase la Figura 2): Petición de una URL a través del celular. El dispositivo móvil envía una URL a un WAP Gateway mediante el protocolo WAP. El WAP Gateway convierte la URL en formato HTTP que es enviada al servidor Web. La petición HTTP es procesada por el servidor Web. Puede tratarse de una petición estática o dinámica. El servidor Web devuelve una página WML con la cabecera HTTP. El Gateway WAP recibe la página, y tras su verificación la convierte en formato binario que será enviado al móvil. El móvil recibe la respuesta en formato WAP. Figura 2. Ruta de petición y devolución de datos en la plataforma WAP 4.5 Lenguaje de Programación de WAP WAP utiliza la especificación denominada WML (Wireless Markup Language), lenguaje de programación basado en etiquetas que se usa para describir la estructura de los documentos que se distribuirán a través de los dispositivos inalámbricos. WML se diseñó para ser ejecutado en diferentes dispositivos, por lo que asume muy pocas características de los terminales móviles de los diferentes fabricantes donde se ejecutará la aplicación. WML utiliza elementos y atributos para indicarle al explorador cómo debe tratar el contenido; además, se requiere que el documento esté bien formado sintácticamente y validado gramáticamente por un DTD (Definición del Tipo de Documento). Para crear aplicaciones interactivas se utiliza el complemento de WML, llamado WMLScript, que es un lenguaje de procedimientos orientado a objetos para la creación de scripts que permite realizar validación de datos y otros procesos del cliente. 5. RECOPILACIÓN DE LA INFORMACIÓN DE LA PÁGINA WAP DE LA UFPS En el proceso de recopilación de la información de la Universidad Francisco de Paula Santander, se tomó como punto de referencia la página Web de la institución, porque es de fácil acceso y en ella se concentra y clasifica la información de la universidad, por lo que fue necesario visitar, comprender, analizar y cuestionar en su totalidad el sitio Web. La elaboración de aplicaciones WAP exige pensar en la Web de una forma distinta; por tal motivo, el portal WAP de la universidad no puede ser una réplica de su página Web, ya que el usuario no dispone de una pantalla de 14 pulgadas como mínimo y de un módem de 56 Kbps. Hay que partir de dispositivos con capacidades limitadas: una velocidad de transferencia máxima de 9600 baudios y una memoria inferior a 1400 bytes. La información que se ofrece en la página WAP de la universidad es breve, concisa y con un alto grado de utilidad; estas características, fueron patrones importantes en el proceso de selección y depuración del contenido de la Web, asegurando un sitio sencillo y agradable al usuario, porque una aplicación que ofrezca una gran cantidad de contenido puede llegar a cansar a los clientes que han de desplazarse constantemente por menús y pantallas para encontrar la información de interés. Teniendo en cuenta los patrones mencionados, la información institucional se recolectó y seleccionó dependiendo del tipo de usuario al que se dirige la aplicación WAP. Por lo tanto, el contenido se divide en información general, información para las personas que desean acceder a los servicios de extensión y la información para uso exclusivo de los alumnos. 33 6. SOFTWARE UTILIZADO EN EL DISEÑO DE LA PÁGINA WAP Para el desarrollo de aplicaciones de Internet móvil se requiere de un Servidor Web (local o en la Internet), un WAP Gateway (alojado en el PC o en el operador de red), un dispositivo móvil con dirección IP o un emulador instalado en el PC y un editor, un compilador y un depurador de código WML; estas herramientas se deben configurar para que puedan trabajar interconectadas. Otra solución, es usar los kits de desarrollo de aplicaciones WAP que integran todas las herramientas de trabajo en una sola interfaz de programación, lo que evita que el desarrollador realice cambios en el servidor cada vez que se requiere modificar el contenido de la aplicación, permitiendo verificar el resultado de los cambios de forma inmediata en el emulador del teléfono, sin necesidad de una conexión a Internet. Las herramientas utilizadas en el desarrollo del portal WAP de la universidad fueron los kits de desarrollo de las empresas Nokia, Ericsson y Openwave, ya que ofrecieron solución a las necesidades de edición (distinción de colores en las etiquetas, atributos y comentarios, y facilidad al insertar etiquetas desde la barra de tareas entre otras), herramientas de depuración y compilación (validar los documentos WML con los DTDs y su compilación a código WBXML (código binario XML inalámbrico) especificando su tamaño en bytes que será descargado en el terminal) y utensilios de simulación (características reales de los microexploradores de terminales móviles de las citadas empresas). Véase Figura 3. 7. IMPLEMENTACIÓN DE LA PÁGINA WAP Para la implementación de la página WAP de la universidad se instaló el servidor Apache CGI bajo Linux Red Hat 9 y se configuró para entregar tipos de contenidos WML; ésto se logra adicionándole al archivo de configuración del servidor sus propios tipos MIME (Multipurpose Internet Mail Extension) para reconocer el contenido WAP. El servidor se encuentra en las instalaciones de la UFPS y es administrado por el Grupo de Investigación y Desarrollo en Telecomunicaciones GIDT. La dirección del portal WAP de la universidad es: wap.ufps.edu.co/wap/menu.wml . Las aplicaciones dinámicas y la conexión remota con la base de datos del centro de cómputo de la universidad se realizó con programas en código java y utilizando el driver de Oracle. Para realizar una petición a la base de datos de la universidad, se debe establecer una consulta SQL al servidor base de datos (Solaris 8i Oracle), lo que se logra a través del driver jdbc classes111.zip, sin tener un manejador de base de datos en el servidor local. Para ilustrar el proceso anterior se presenta la Figura 4. Figura 4. Ruta de petición y devolución de datos en la aplicación WAP de la UFPS 8. RESULTADOS Figura 3. Terminales móviles de algunas empresas de teléfonos. 34 El listado de la información de la Universidad Francisco de Paula Santander a mostrar en el Portal WAP de la institución. La estructura de presentación de la información de la Página WAP, que determina la corriente de navegación dentro de la aplicación. Se determinó el uso de los kits de desarrollo WAP de las empresas Nokia, Ericsson y Openwave; como herramientas óptimas para la creación, simulación y depuración del código WML y WMLScript. El código fuente de la Página WAP de la UFPS en el lenguaje WML, el cuál es interpretado por el dispositivo móvil del usuario para ser visualizado en la pantalla del dispositivo. El código de programación en WMLScript de la Página WAP de la UFPS, que permite la validación de los datos introducidos por el alumno en el terminal del mismo. La instalación y configuración del Servidor Web para recibir y entregar los contenidos WAP desarrollados en la aplicación. Los programas en lenguaje Java instalados en el Servidor Web, que permiten la interacción de este servidor con el sistema base de datos de la UFPS. La conexión al sistema base de datos de la universidad por parte de la comunidad en general para conocer las asignaturas de los diferentes programas académicos ofrecidos por la institución, haciendo uso de un terminal móvil. La conexión al sistema base de datos de la universidad por parte del alumno para consultar información de carácter personal como el horario de clases y las asignaturas matriculadas; a través, del teléfono celular. El manual del usuario de la Página WAP de la Universidad Francisco de Paula Santander. El documento final donde se presenta el desarrollo del proyecto Diseño y montaje de la página WAP que implementa el acceso a la información académica de la Universidad Francisco de Paula Santander. 9. CONCLUSIONES El protocolo WAP permite a la comunidad y al alumno de la Universidad Francisco de Paula Santander realizar consultas de información personal e institucional en la base de datos de la universidad, utilizando un teléfono móvil celular con el servicio de Internet activo. Este servicio es suministrado por un operador de telefonía móvil celular (COMCEL, BELLSOUTH Y AVANTEL). El alumno o usuario que desee acceder a la información de la universidad debe poseer un teléfono móvil celular con micronavegador, y estar suscrito al servicio WAP ofrecido por alguna de las empresas mencionadas anteriormente, o en su defecto tener una conexión física a un proveedor de Internet y utilizar un emulador sobre un PC. En la selección de la información que se deseaba suministrar en el portal WAP de la universidad se tuvo en cuenta que el contenido debía ser breve y objetivo para alcanzar una aplicación útil y atractiva a los usuarios. WML es básicamente un lenguaje que permite crear entornos de entrada y visualización de datos. WML no tiene soporte para determinar el ancho del párrafo utilizando una etiqueta, por lo que fue necesario utilizar saltos de línea para garantizar que los renglones de texto no superaran los 15 caracteres, haciendo que el texto sea interpretado de forma útil y coherente por los diferentes dispositivos, debido a que los teléfonos tradicionales poseen una pantalla que puede visualizar como máximo 15 caracteres por línea. La página WAP de la Universidad Francisco de Paula Santander en funcionamiento. 35 En la creación del código WML se tuvo en cuenta que los atributos básicos de las etiquetas no debían ser obviados, ya que los microexploradores asignan diferentes valores por defecto a algunos atributos, ocasionando que un mismo código se interprete de manera distinta dependiendo del microexplorador del terminal. En la elaboración del código WML no se incluyeron etiquetas y atributos que no formaran parte de la especificaciones oficiales de WML establecidas por el WAP Forum por no ser interpretadas por todos los microexploradores. Para la correcta interpretación de los caracteres especiales como símbolos, números y tildes por parte de los microexploradores, se reemplazaron según la norma ISO-10646, que es como se conocen los caracteres UNICODE dentro del mundo informático. Es importante que un portal WAP disponga de ayudas que orienten al usuario en la navegación y faciliten la interpretación del contenido que se expone en el portal. No se hizo uso en la aplicación de imágenes de gran tamaño, de gráficas a color ni de animaciones, por que no se visualizaban correctamente en los teléfonos celulares tradicionales. El tiempo de espera del usuario al hacer una petición es menor al navegar entre cartas de una misma baraja que al navegar entre cartas de diferentes barajas. Las barajas del código WML deben contener cartas que estén relacionadas en la corriente de navegación dentro del portal, para que el usuario navegue por estas cartas haciendo uso de la memoria del terminal, evitando depender de una constante conexión a Internet. No se utilizaron traductores de código HTML a código WML para el desarrollo de la aplicación WAP, porque el resultado de esta conversión generaba un código WML que no cumplía con las características de presentación deseadas . 36 El contenido de la página WAP de la U.F.P.S. no podía ser una réplica del contenido de la página Web de la misma, debido a las limitaciones propias de los dispositivos móviles como la velocidad de transferencia de los datos, la escasa cantidad de memoria RAM con que cuenta el terminal para almacenar el código WML que se descarga al realizar una petición WAP, el tamaño de la pantalla donde se visualiza la aplicación y la interfaz (teclado) restringida para el ingreso de los datos por parte del usuario entre otras. El uso de los kits de desarrollo facilitó la elaboración de la página WAP, ya que este tipo de software incorpora todas las herramientas requeridas para la construcción de aplicaciones de Internet Móvil en un mismo ambiente. El kit de desarrollo Mobile Internet Toolkit 3.1 de Nokia ofreció la interfaz más agradable para la edición, compilación y depuración del código WML. La simulación del código WML se debe realizar utilizando los emuladores de las diferentes empresas proveedoras de teléfonos móviles, en especial Nokia, Ericsson y teléfonos con microexploradores de Openwave; para evaluar la presentación del código fuente en los dispositivos celulares con diferentes característica técnicas. Para calcular el tamaño de bytes de las barajas se tuvo en cuenta el tamaño en bytes del código compilado de la baraja y los datos referentes a la navegación; bytes que se almacenan en la caché del dispositivo móvil. El tamaño en bytes de las barajas del portal de Internet Móvil de la universidad no superó los estándares mínimos de memoria de los terminales WAP (1.4 Kbytes) dado por el WAP Forum, con el objetivo que la aplicación se descargue satisfactoriamente en todos los dispositivos del mercado, sin provocar el desbordamiento de la memoria. Para el ingreso de datos por parte del usuario en el portal WAP de la universidad se usó el método de selección de información en los casos que fue posible, evitando que el cliente ingrese los datos haciendo uso del teclado limitado con que cuentan los dispositivos móviles. El uso de programas en el lenguaje WMLScript permite crear aplicaciones de Internet Móvil que involucren manipulación de datos y cálculos básicos sin la necesidad de invocar constantemente al servidor. Los programas realizados en WMLScript permitieron validar los datos del cliente en el dispositivo móvil, descongestionando los procesos en el servidor al evitar la ejecución de una aplicación cuyos campos de las variables de entrada son incorrectos. El uso del lenguaje Java, permitió crear una aplicación de código portable, que puede ser ejecutada bajo cualquier sistema operativo seleccionado para la implementación del servidor. Para realizar una consulta a un sistema base de datos es necesario instalar la aplicación en el servidor base de datos, o realizar una conexión remota entre el servidor de la aplicación y el servidor base de datos. Para obtener una aplicación constantemente actualizada, se tiene que realizar la consulta de la información directamente a la base de datos del Centro de Cómputo de la Universidad Francisco de Paula Santander. El uso de la clase classes111.zip de Java fue indispensable para realizar la conexión remota al sistema base de datos Oracle 8i del Centro de Cómputo de la universidad; y realizar las consultas SQL sin requerir de un motor de base de datos instalado en el servidor. Se realizaron pruebas accediendo a todas las secciones del Portal WAP de la Universidad Francisco de Paula Santander utilizando un teléfono móvil celular con servicio de Internet y a través de diferentes emuladores desde el computador; verificándose el correcto funcionamiento de la aplicación. BIBLIOGRAFÍA ABBEY, Michael. Oracle 9i Guía de Aprendizaje. México: Mc Graw-Hill, 2002. BOWEN, Rich y COAR, Ken. Servidor Apache Al Descubierto. España: Prentice Hall, 2000. CEBALLOS, Javier. Java 2 Curso de Programación. México: Alfaomega, 2000. FERNÁNDEZ, José Ignacio. Departamento de Ingeniería Telemática, Escuela Politécnica Superior. Universidad Carlos III de Madrid [En línea]. Madrid, España: http://www.monografias.com/trabajos3/redx25/ redx25.shtml FOO, Soo Mee; LEE, Wei Meng; WATSON, Karli y WUGOFSKI, Ted. Beginning WAP, WML and WMLScript. Canada: Published by Wrox Press Ltd, 2000. FORTA, Ben. Desarrollo WAP con WML y WMLScript. España: Ediciones Anaya Multimedia, 2001. MAXWELL, Steve. Red Hat Linux. México: Mc GrawHill, 2001. McLAUGHLIN, Brett. JAVA y XML. España: Ediciones Anaya Multimedia, 2001. RODRÍGUEZ, Cristóbal Jara [En línea]. Concepción, Chile: Comunicaciones de datos, Universidad de Concepción. Disponible en Internet: http://www.die.udec.cl/~comdatos/trabajos/ Fundamento_Codigo_de_Trellis.PDF SHAN, Steve. Manual de Administración de Linux. México: Mc Graw-Hill, 2001. WILLIAMSON, Heather. XML Manual de Referencia. España: Mc Graw-Hill, 2001. 37 ANÁLISIS DE LA VULNERABILIDAD SÍSMICA DE LOS EDIFICIOS FUNDADORES Y AULAS SUR DE LA U.F.P.S. Jorge Fernando Márquez Peñaranda Profesor Departamento de Construcciones Civiles, Vías y Transporte jipo@hispavista.com Universidad Francisco de Paula Santander RESUMEN La ciudad de San José de Cúcuta se halla ubicada en una zona de alto riesgo sísmico sobre la confluencia de sistemas de fallas activas importantes tales como el Frontal de la Cordillera Oriental y el de Boconó. Según las Normas Colombianas de Diseño y Construcción Sismo Resistente (NSR-98) esta ciudad se halla emplazada en la región 7 y debe considerarse un coeficiente de aceleración pico efectiva Aa=0.3. La Universidad Francisco de Paula Santander (U.F.P.S.), ente público oficial con cuarenta y un años de servicio a la comunidad, consciente de esta amenaza ha iniciado la evaluación de la vulnerabilidad sísmica de sus edificaciones, dos de las cuales constituyen el objeto de este trabajo. Se trata de los edificios AULAS SUR y FUNDADORES, inmuebles de aulas que representan la mayor oferta y demanda de uso en comparación con las demás edificaciones de la U.F.P.S., para los cuales se ha recavado toda la información existente relacionada con características geométricas y mecánicas de su estructura y se ha desarrollado un análisis elástico en concordancia con los lineamientos de las NSR-98. El primero de ellos está soportado por pórticos tridimensionales de concreto reforzado y fue construido dentro de la vigencia del decreto 1400 de 1984 en tanto que el segundo está constituido por muros de mampostería confinada y tiene más de treinta años de servicio. Como resultado de este análisis se ha identificado la vulnerabilidad con relación a la resistencia y rigidez de la estructura y cada uno de sus elementos llegando finalmente a proponer las modificaciones a implantar en la configuración original para mejorar y dar suficiencia a estas dos importantes características. 38 INTRODUCCIÓN Los edificios Aulas Sur y Fundadores ubicados en la sede principal de la U.F.P.S. representan la mayor oferta de aulas para docencia. El primero se diseñó y construyó hace unos diez años usando pórticos de concreto reforzado y placas aligeradas armadas en dos direcciones con lineamientos adecuados dictados por los requisitos del entonces vigente Código Colombiano de Construcciones Sismo-Resistentes (CCCSR) y del buen juicio profesional amparado a la luz del estado del arte en esa época. Puede decirse que posee una ductilidad adecuada representada en el detallado del refuerzo de sus elementos pero a la luz de los requisitos actuales de las Normas SismoResistentes presenta una alta flexibilidad lo que en el evento de un sismo intenso se traduciría en grandes deformaciones permanentes y pánico de los ocupantes. Por otra parte el principal problema que hoy se deduce siguiendo esas Normas es que la estructura carece de resistencia para atender dicho sismo sin colapsar. El segundo edificio mencionado es el más antiguo y fue diseñado y construido hace unos treinta años. Su estructura está hecha de muros de ladrillo macizo de arcilla cocida confinados levemente por machones (columnas) de concreto reforzado distribuidos en toda el área y tiene cuatro cortinas (muros) del mismo material que son insuficientes ante las exigencias de las Normas actuales. Las placas de entrepiso están armadas en una sola dirección y fundidas en concreto reforzado y su cimentación es de concreto ciclópeo coronado con vigas. Ofrece una pobre ductilidad, aunque evidentemente su rigidez es alta. Esto implica que aunque en un sismo intenso puede inicialmente responder con bajos desplazamientos, no será capaz de disipar la energía que le demandan los ciclos histeréticos posteriores y colapsará de manera frágil. Además aunque su rigidez sea alta experimentará en ese sismo derivas superiores al 0.5% lo que implica que el muro colapse aún bajo carga cuasi-estática. El edificio Fundadores se estudió como un sistema de mampostería confinada, que es el sistema estructural más próximo en configuración y filosofía al existente, sin descuidar la reducción de la flexibilidad actual. Por lo anterior el principal objeto de este trabajo es proponer refuerzos para mejorar la resistencia y reducir la flexibilidad de los edificios hasta un nivel similar al exigido por las Normas Colombianas de Diseño y Construcción Sismo Resistente (NSR-98). Así mismo como la vulnerabilidad de una edificación es inherente a sí misma y a la amenaza que le solicita, el análisis efectuado aquí se restringe a lo establecido por las NSR-98 para la ciudad de Cúcuta. 1.DESCRIPCIÓN GENERAL DEL PROYECTO La sede principal de la Universidad Francisco de Paula Santander (U.F.P.S.) está ubicada en el barrio Colsag de la ciudad de Cúcuta, en la intersección de las avenidas Gran Colombia y 12E y dentro de ella está construidos los edificios Aulas Sur y Fundadores. El primero fue diseñado y construido entre los años 1986 y 1995 desarrollándose en dos etapas convenientemente aisladas por medio de una junta estructural de 15 cm y su uso original y actual es el de aulas de clase. Su sistema estructural lo constituyen pórticos ortogonales de concreto reforzado, placas aligeradas de 45 cm de espesor armadas en dos direcciones con viguetas de 10 y 11 cm cada 85 y 95 cm (eje centroidal) y losa superior de 5 cm, en tanto que la cubierta es de machimbre revestido con teja de barro. La cimentación la conforman zapatas amarradas con vigas y la altura libre de cada piso es de 3.00 m con espacios separados por muros de mampostería de arcilla que fueron construidos después de la estructura. El edificio cuenta con cuatro pisos que contienen aulas, algunas oficinas y baterías de baños en los tres primeros pisos. Sus áreas construida 2 2 y de lote son de 4251 m y 1120 m . El edificio Fundadores está ubicado a unos metros al norte del edificio Aulas Sur fue diseñado y construido entre los años 1970 y 1972 y su uso original y actual es el de aulas de clase. Su sistema estructural lo constituyen muros de carga construidos en ladrillo macizo de arcilla cocida en su mayoría de 0.25m de espesor y ligeramente confinados por machones de concreto de 0.15mX0.25m (ancho menor que el del muro) de sección reforzados con seis barras de 10 mm (3/8). Posee también cuatro cortinas de concreto reforzado ubicadas hacia la periferia cimentadas en zapatas rectangulares. La cimentación de los muros de mampostería es de concreto ciclópeo coronado con vigas de concreto reforzadas en su mayoría con seis barras de 12.7 mm (½). Los entrepisos poseen dos tipos de placas: fundidas en el sitio y prefabricadas. Las placas fundidas poseen 0.40m de espesor, se hallan armadas en una sola dirección, siguiendo la menor longitud, aligeradas con bloques de concreto y tienen viguetas de 0.10m, 0.14m y 0.15m de ancho pero no poseen losa superior que garantice su acción de diafragma. Las placas prefabricas están constituidas por vigas T de 0.45m de altura con 1.20m de ancho de aleta y poseen soldadura del refuerzo transversal entre elementos que le permiten desarrollar su acción de diafragma en el sentido este-oeste. Sin embargo en el sentido norte-sur no existen conexiones en sus apoyos que garanticen esta acción. El edificio cuenta con cuatro pisos que contienen aulas, oficinas de profesores y baterías de baños. Su área construida es 2 de 3689 m . Este proyecto se desarrolló entre los meses de abril de 2002 y mayo de 2003 y fue financiado por el Fondo de Investigaciones Universitarias (FINU) de la U.F.P.S. 2. PROCEDIMIENTO Y RESULTADOS Este proyecto se enmarcó en lo establecido por la Ley 400 de 1997 y los decretos 33 de 1998, 34 de 1999 y 2809 de 2000 contenidos en las Normas Colombianas de Diseño y Construcción Sismo Resistente (NSR-98). La figura 1 presenta el diagrama de flujo correspondiente. 39 ANALÍSIS DE VULNERABILIDAD SÍSMICA ¯ Recopilación y verificación de la información ¯ ¯ Estado de la estructura Evaluación de solicitaciones ¯ ¯ Determinación ® Análisis de Resistencia Efectiva estructural elástico ¯ ¯ Cálculo de índices de sobreesfuerzo y flexibilidad ¯ Indices de vulnerabilidad ¯ DISEÑO DE SOLUCIONES ® ¯ Elaboración de planos e informe final Figura 1. Diagrama de flujo de procedimiento A continuación se describe cada etapa del proceso. 2.1.RECOPILACIÓN Y VERIFICACIÓN DE LA INFORMACIÓN. Se buscaron planos arquitectónicos y estructurales para establecer la configuración original del edificio y se revisaron planos de infraestructura (sanitarios, hidráulicos, eléctricos y de telefonía) para identificar posibles puntos débiles debido al cruce de tuberías grandes o de cajas y ductos a través de elementos estructurales principales. Además se buscaron memorias de cálculos estructurales, estudios de suelos, ensayos de materiales en el proceso de construcción, actas de obra y testimonios de las personas que participaron en el diseño, construcción y mantenimiento de la edificación. Se revisaron en el sitio las dimensiones actuales y reales de los elementos estructurales y no estructurales, así como el tipo de acabados y de otros elementos que generarían cargas adicionales no contempladas en el diseño original. Con esto se estableció el grado de concordancia entre los planos originales y el producto actual definiendo planos reales de trabajo basados en las medidas y observaciones tomadas. Por otra parte se realizó una 40 inspección visual para identificar anomalías tales como grietas, asentamientos, exposición del refuerzo, deformaciones excesivas y respuesta ante eventos importantes ocurridos con lo que se calificó la calidad del diseño y la construcción original y del estado de mantenimiento y conservación de la estructura. Para el edificio Aulas Sur se encontraron 29 planos arquitectónicos digitalizados, 23 planos de infraestructura y 12 planos estructurales en papel. Se observó que no existen sobrecargas de almacenamiento de agua pues posee sistema hidroneumático, pero se encontraron diferencias menores en algunos elementos estructurales tales como las columnas de la fachada norte. Sólo existen memorias de cálculo de la etapa 1 y el estudio de suelos (Gómez, et al,1999) indica que el suelo encontrado es granular con un ángulo de fricción interna que oscila entre 31º y 37º y peso unitario promedio de 20 KN/m3. Usando los factores generales para el modelo de Terzaghi (Rico and Del Castillo,1978) se encontró que la capacidad admisible del suelo se halla entre 340 y 400 KN/m2 para zapatas con ancho entre 1.00 m y 3.50 m cimentadas a una profundidad de 2.00 m y con un factor de seguridad de 2.50. Sin embargo, para cargas sísmicas, las NSR98 (Asociación Colombiana de Ingeniería Sísmica, AIS 1998) permiten usar un factor de seguridad de 2.00 (ver H.4.1.7) y un sobreesfuerzo de 33% (ver B.2.3.4) con lo que la capacidad portante puede llegar a 610 2 KN/m . Las especificaciones originales de este edificio se resumen a continuación: Concreto de zapatas y vigas de amarre: f‘c=21 MPa Concreto de pedestales y columnas: f‘c=28 MPa Concreto de vigas, viguetas y losas: f‘c=24.5 MPa Acero de refuerzo para f£9.5 mm (3/8): fy=240 MPa Acero de refuerzo para f³12.7 mm (1/2): fy=420 MPa El estado de conservación del edificio Aulas Sur es bueno. La zona inferior de cada placa presenta fisuras menores la mayoría de menos de 0.5 mm y ninguna mayor que 1 mm de ancho medidas de forma aproximada durante uso normal del piso. Su apariencia indica deflexión aceptable en las zonas centrales y la orientación entre fisuras de diferente dirección es aproximadamente ortogonal. En los muros solo se encontraron grietas importantes en los extremos del tercer piso sobre la fachada norte de la etapa I (ejes 5 y 9), específicamente en la unión con la etapa II y en la línea que divide la batería de baños y las escaleras. La columna 9D del primer piso tiene una grieta diagonal en su pata que atraviesa la sección lo que sugiere falla del concreto por tensión diagonal. El estado de la zona de junta estructural (ejes 4´ de la etapa II y 5 de la etapa I) indica que se ha movido un bloque con respecto a otro. Allí se observan grietas y la superficie del piso adyacente se ha arrugado aparentemente por la ausencia de juntas elásticas en el mismo. En ninguna parte se encontró el refuerzo expuesto y la apariencia de las superficies de concreto de los elementos estructurales no da señales de deterioro de ningún tipo. El edificio Fundadores posee 20 planos arquitectónicos digitalizados y 15 planos estructurales originales dibujados con lápiz sobre papel mantequilla. Las principales diferencias encontradas acusan adición de muros en la zona suroriental, remoción de muros y eliminación de voladizo en la zona noroccidental, la estructura de cubierta originalmente diseñada en cerchas se construyó en placa aligerada y no se usó postensado para la viga canal. No se encontraron planos de infraestructura ni memorias de cálculo y el estudio de suelos usado fue el referido en el párrafo anterior. El edificio de interés se halla adyacente al auditorio Eustorgio Colmenares Batista separado por una junta de 2 cm. Los ladrillos usados provinieron de los Tejares Pescadero y San Luis propios de la zona, el concreto se solicitó a Preconcretos y las especificaciones originales son: Concreto de todos los elementos: f‘c=21 MPa 2 Capacidad portante del suelo: qa=150 KN/m Acero de refuerzo para f£3/8: Paz del Río, fy=240 MPa Acero de refuerzo para f³1/2: Heliacero (16), fy=420 MPa En general el estado de conservación del edificio Fundadores es bueno. Los muros no presentan grietas ni abombamientos. Sólo existen grietas en la torta inferior de las placas bajo las zonas donde originalmente se dejaron ductos para aire acondicionado, las cuales deben fijarse de forma segura o eliminarse. Las escaleras presentan fisuras pequeñas debidas a un trabajo normal de flexión. Existe un abombamiento del acabado de piso en la zona exterior adyacente al edificio en el extremo suroriental que no parece involucrar asentamientos ni movimientos del suelo de soporte; más bien parece deberse a la presión ejercida por las raíces de árboles cercanos. En ninguna parte se encontró el refuerzo expuesto y la apariencia de las superficies de los elementos estructurales no da señales de deterioro de ningún tipo. 2.2. EVALUACIÓN DE SOLICITACIONES. De acuerdo con lo definido en el numeral anterior y cumpliendo con las NSR-98 se calcularon las cargas gravitacionales según el título B y la amenaza sísmica usando el título A. Las cargas sísmicas se determinaron usando tanto el método de la fuerza horizontal equivalente como el análisis dinámico para efectos de comparación y selección de casos de diseño. 2.2.1. Cargas gravitacionales. Para los dos edificios 2 se usó una carga viva igual a L=2 KN/m sobre todas 2 las losas y a L=0.35 KN/m sobre la cubierta en machimbre y teja. Debido a que realmente el edificio Aulas Sur está separado en dos bloques (llamados etapas I y II) por la junta estructural citada, el análisis consideró dos estructuras independientes y verificó que no existiera riesgo de impacto entre ellos, para lo cual se usó la resta de derivas de cada parte. Esto último es válido ya que la cimentación de las dos etapas está completamente amarrada y se espera que la onda sísmica en la base afecte a la cimentación como un solo cuerpo. 41 Los valores totales Dt de carga muerta usados para 2 2 las etapas I y II fueron 11.3 KN/m y 12 KNt/m los cuales incluían el peso de todos los elementos del piso. Sin embargo el valor neto D, sin peso propio de vigas y considerando que algunos muros descargan sobre 2 2 ejes de vigas, fue en cada caso 6.1 KN/m y 4.8 t/m . El peso total de la edificación resultó ser de 33720 KN y 12260 KN para las etapas I y II respectivamente. La alta densidad de muros y su apoyo directo sobre las vigas en la etapa II son la causa de las diferencias observadas en el valor D de cada etapa. El peso actual del edificio Fundadores es de 34930 KN y si se implementan las soluciones propuestas llegará a pesar 40430 KN. Las cargas muertas calculadas según el tipo de elemento para este edificio son: Machimbre y teja: D = 1.40 KN/m 2 Placas macizas e=0.15m: D = 4.76 KN/m 2 Placas aligeradas e=0.30m: D = 7.75 KN/m 2 Placas aligeradas e=0.40m: D = 5.67 KN/m 2 Prefabricados salones: D = 2.54 KN/m 2 Escaleras: D = 6.89 KN/m 2 2.2.2. Amenaza sísmica. Para involucrar la amenaza sísmica en el análisis estructural se usaron dos métodos: a) El método de la fuerza horizontal equivalente y b) Análisis dinámico. La solicitación por torsión en el piso se determinó siguiendo el numeral A.3.6.7 de las NSR-98 (Asociación Colombiana de Ingeniería Sísmica, AIS 1998). En particular la torsión accidental se calculó desplazando el centro de masa en cada dirección y ambos sentidos según excentricidades en direcciones este-oeste y norte-sur de 2.10m y 1.00m para el edificio Aulas Sur. Para el edificio Fundadores las excentricidades usadas fueron 2.55m y 1.50m respectivamente. Los parámetros que describen la amenaza y su relación con la respuesta estructural para cada edificio se muestran en la tabla 1. 42 PARÁMETRO AULAS SUR FUNDADORES Región: 7 7 Zona de amenaza sísmica: Alta Alta Coeficiente de aceleración pico efectiva: Aa=0.30 Aa=0.30 Grupo de uso: II II Coeficiente de importancia: I=1.1 I=1.1 Perfil de suelo: S2 S2 Coeficiente de sitio: S=1.2 S=1.2 Tipo de demanda: DES DMO Coeficiente de amortiguamiento crítico: 5% 5% Coeficiente básico de disipación de energía: Ro=7.0 Ro=1.5 Tipo de irregularidad en planta: 2P 3P Coeficiente por irregularidad en planta: fp=0.9 fp=0.9 Tipo de Irregularidad en altura: No presenta No presenta Coeficiente disipación de energía (diseño): R=6.0 R=1.35 TABLA 1. Parámetros de amenaza y respuesta sísmica. Debe aclararse que el valor de R utilizado en el edificio Aulas Sur se limitó a 6.0 para considerar no sólo la posible irregularidad sino además para ser consistentes con su valor de diseño original según el CCCSR. La altura total se fijó en h=13.58 m y h=12.85m para los edificios Aulas Sur y Fundadores respectivamente. Al usar el método de la fuerza horizontal equivalente, el edificio Aulas Sur se estudió considerando la influencia de los muros diafragma por medio de dos modelos que incluían y despreciaban la presencia de los puntales suministrados por dichos muros. La primera opción involucró un período de vibración aproximado Ta=0.46s y un coeficiente de aceleración espectral Sa=0.825, en tanto que la segunda dichos valores fueron 0.57s y Sa=0.70. Las diagonales de mampostería se modelaron según la configuración propuesta por Buonopane (Buonopane and White, 1999) con las limitaciones impuestas por las NSR-98 (Asociación Colombiana de Ingeniería Sísmica, AIS 1998) en su capítulo D.11. Sin embargo este sistema se descartó una vez obtenidos los índices de sobreesfuerzo y de flexibilidad, ya que por la alta esbeltez de cada diagonal se presentaría una muy rápida falla por compresión. Además en cuanto a las derivas la reducción no fue importante. Para dar una idea de la baja eficiencia de esta configuración puede compararse la fuerza promedio solicitante del puntal de un muro típico (622 KN) con la capacidad efectiva del mismo (37 KN). Las fuerzas horizontales equivalentes y los momentos de torsión accidental se muestran en las tablas 2 y 3. PISO W(KN) H(m) W*h^k Cvx Fx (KN) ±Mx ±My Cubierta 2520 13.58 43200 16% 3790 3790 7960 Piso 4 9220 10.13 114930 43% 10090 10090 21190 Piso 3 9220 6.68 72960 27% 6400 6400 13450 Piso 2 10500 3.23 37660 14% 3310 3930 6940 Piso 1 2260 0 0 0% 0 0 0 TOTAL 33720 268760 100% 2359 Tabla 2. Fuerzas equivalentes para la etapa I (estado original Aulas Sur). PISO rehabilitada en comparación con la original. Estos aumentos equivalen al 6% para las fuerzas y momentos torsores de la etapa 1 y a un 10% para la etapa 2. Por otra parte la geometría de los muros de refuerzo en forma de L obligó a desarrollar el análisis estructural incluyendo un giro en ellos alrededor de su eje determinado precisamente por el ángulo del eje de radio de giro mínimo. En el caso de los muros de alas iguales (3.20m y 2.50m) ese ángulo fue de 45º en tanto que para los muros de 2.50X1.25 fue de 14.27º. Los parámetros de entrada para el análisis dinámico del edificio Aulas Sur quedaron definidos por un espectro de diseño (para cada dirección) dado en la expresión {2} y por la distribución de masas que se presenta en la tabla 4, donde la masa rotacional es mz=J*m/A siendo A el área y m la masa del piso. Para Para Para Para PISO 0£T£0.3s 0.3s£T£0.58s 0.58s<T£2.88s T>2.88s MASA (kg) Þ Þ Þ Þ Sa=0.33+1.65*T Sa=0.825 Sa=0.475/T {2} Sa=0.165 AREA (m2) my A (m2) J (m4) MASA ROTACIONAL mz (Kg-m2) Cubierta 26000 26000 772.80 131096 4355000 mx M. POLAR W(KN) H(m) W*h^k Cvx Fx (KN) ±Mx ±My Cubierta 1410 13.58 24080 23% 2030 2250 1360 Piso 4 94000 94000 767.85 130026 15919000 Piso 4 3190 10.13 39650 39% 3350 3370 2080 Piso 3 94000 94000 767.85 130026 15907000 Piso 3 3290 6.68 26050 26% 2200 2440 1360 Piso 2 107000 107000 885.30 154808 18715000 Piso 2 3330 3.23 11950 12% 1010 1190 630 Piso 1 1040 0 0 0% 0 0 0 TOTAL 12260 101730 100% 859 Tabla 3. Fuerzas equivalentes para la etapa II (estado original Aulas Sur). Después de reforzada la estructura del edificio Aulas Sur el período calculado según la expresión A.4-1 de las NSR-98 (fórmula de Rayleigh) resulta ser Tr=0.72 s, que aun es mayor que T=1.2*Ta=0.68 s. Sin embargo se presenta un aumento de masas debidas a esos refuerzos, que hace que las fuerzas sísmicas aumenten proporcionalmente en la estructura Tabla 4. Valores de masa de piso según cada eje para la etapa 1. Según el análisis dinámico de los 12 modos de vibración sólo los dos primeros (traslación) activan cerca del 90% de la masa y sus períodos en el estado actual del edificio resultan ser de 1.39s y 1.06s. Una vez reforzado el edificio éstos caen a 0.50s y 0.46s produciendo un aumento en el coeficiente de aceleración espectral en el edificio Aulas Sur. El edificio Fundadores se analizó originalmente con un período Ta=0.34s y un coeficiente Sa=0.825 lo que generó un cortante basal Vs=28820KN, el cual 43 debido al incremento de masa por los refuerzos requeridos podría ascender a 33430 KN. La tabla 5 presenta las fuerzas y momentos de torsión sísmicos para este edificio. PISO W(KN) Cubierta 3460 H(m) W*H^K Cvx Fx (KN) ±Mx ±My 12,85 44460 21% 6140 5830 13810 Piso 4 6980 9,75 68060 33% 9400 14090 23960 Piso 3 9820 6,50 63830 31% 8810 13220 22470 Piso 2 9970 3,25 32400 16% 4470 6710 11410 Piso 1 4700 0,00 0% TOTAL 34930 32,35 208750 100% 0 0 0 0 28820 39850 71650 Tabla 5. Fuerzas sísmicas equivalentes (estado original Fundadores). Para el edificio Fundadores, al usar cargas horizontales, los muros se consideraron no trabados entre sí por lo que todas las secciones rectas resultaron rectangulares. Con el fin de ajustar las medidas arquitectónicas en el ámbito estructural y con base en mediciones hechas a ladrillos retirados en remodelaciones, se modularon las longitudes horizontales de los muros como múltiplos de una unidad básica de 0.26X0.13X0.08 en junta perdida. Por otra parte el análisis dinámico usó el espectro de diseño dado por la expresión {2} y la distribución de masas que aparece en la tabla 6. PISO AREA (m2) M. POLAR MASA (kg) MASA ROTACIONAL J (m4) mz (t-s2-m) mx mY A (m2) Cubierta 35000 35000 654 640010 34251000 Piso 4 88000 88000 942 1081055 100990000 Piso 3 117000 117000 970 1064355 128381000 Piso 2 119000 119000 948 1057437 132737000 fuerza horizontal equivalente (FHE). El cortante basal calculado usando análisis dinámico resultó ser sólo del orden del 40% y 68% para los edificios Aulas Sur y Fundadores respectivamente del dado por el método de la FHE. Así mismo todas las fuerzas internas y desplazamientos conservan una proporción similar. Sin embargo, tal como lo establece el capítulo A.5 de las NSR-98 (Asociación Colombiana de Ingeniería Sísmica, AIS 1998) la proporción entre los resultados de los dos análisis no puede ser menor que 100% para edificios regulares (Fundadores y Aulas Sur etapa II) y que 80% para la etapa 2 (edificio regular), por lo cual se optó por usar el método FHE para diseño. 2.2.3.Combinaciones de carga. Se usaron 3 combinaciones para carga gravitacional sola (1.4*D+1.7*L) considerando la posibilidad de que existan áreas en uso y áreas desocupadas simultáneamente solicitadas con cargas vivas L1 y L2 tipo tablero de ajedrez tal como se muestra en la figura 2. Además se usaron otras 24 combinaciones que incluyeron cargas gravitacionales actuando simultáneamente con cargas sísmicas, las cuales involucraron los momentos torsionales de piso y los posibles efectos ortogonales por la aleatoriedad en la dirección del sismo. En general éstas últimas tenían la forma: 0.75CV ± EX ± 0.3EY o 0.75CV ± 0.3EX ± EY siendo CV el efecto producido por la carga gravitacional mayorada o la carga muerta reducida y EX o EY el efecto producido por la fuerza sísmica y sus excentricidades accidentales en cada dirección ortogonal. Tabla 6. Valores de masa de piso del edificio Fundadores en el estado final. Los períodos obtenidos para el edificio Fundadores en los modos 3 y 6 (ambos en traslación) fueron 0.63s y 0.58s, los cuales activan un 83% de la masa total. En este trabajo el análisis dinámico se usó como soporte para revisión de resultados del análisis usando 44 Figura 2. Esquema en planta de aplicación de cargas vivas L1 y L2 (Aulas Sur). En cada análisis dinámico se usó el Método de la Combinación Cuadrática Completa (CQC) para considerar la interacción modal y verificar su grado de correlación. 2.3. DETERMINACIÓN DE LA RESISTENCIA EFECTIVA. Para el edificio Aulas Sur la resistencia existente se evaluó de forma teórica con base en la resistencia especificada originalmente, en los resultados del control de calidad de materiales durante la construcción y en la geometría y refuerzos consignados en los planos. Para el edificio Fundadores se efectuaron ensayos de compresión a algunas muestras de ladrillo y mortero extraídas de los muros del edificio cuyos resultados se presentan en la tabla 6. La resistencia efectiva se calculó según lo consignado en el capítulo A.10 de las NSR-98 (Asociación Colombiana de Ingeniería Sísmica, AIS 1998) considerando una buena calidad original de diseño y construcción y un buen estado actual de conservación, es decir se calculó según la expresión {2}: {2} donde fc = factor de reducción por calidad original = 0.9 fe = factor de reducción por estado de conservación = 0.9 Nex = Resistencia existente según el efecto Nef = Resistencia efectiva según el efecto MUESTRA LADRILLO F´cu (MPa) MORTERO f´cp (MPa) 1 23.27 16.94 2 23.46 23.20 3 16.48 14.64 PROMEDIO 21.07 18.26 COEFICIENTE DE VARIACIÓN 19% 24% TABLA 6. Resistencia existente de materiales del edificio Fundadores 2.4. ANÁLISIS DE LA ESTRUCTURA. Se desarrolló un análisis elástico usando el programa SAP2000 versión 6.11. Para el edificio Aulas Sur se resolvió un sistema de pórticos tridimensionales unidos por placas que se consideran como diafragmas rígidos ante cargas en su propio plano. La veracidad de esta hipótesis se verificó siguiendo el numeral A.3.6.7.2. de las NSR-98 (Asociación Colombiana de Ingeniería Sísmica, AIS 1998). Las placas de entrepiso se modelaron como mallas de viguetas y carga puntual en cada nudo soportadas en apoyos articulados sobre las vigas (no transmiten torsión sobre estas últimas). Para el edificio Fundadores se usaron elementos tipo columna (frame) aislados en el estado original (por la ausencia de diafragma rígido) y con carga sísmica según área aferente, en tanto que en el estado final (reforzado) éstos elementos se unieron con diafragma rígido. Las cargas sísmicas con sus respectivos momentos de torsión se aplicaron en cada centro de masa, lo cual se modeló desplazando ese punto una distancia igual a la excentricidad en cada dirección y en ambos sentidos. 2.5. DETERMINACIÓN DE ÍNDICES DE FLEXIBILIDAD, ÍNDICES DE SOBREESFUERZO Y VULNERABILIDAD ASOCIADA. Siguiendo el capítulo A.10 de las NSR-98 los índices de sobreesfuerzo y de flexibilidad se calculan como el cociente entre los valores de fuerzas internas y desplazamientos y los valores máximos permitidos para cada magnitud (resistencias efectivas y derivas). Esos índices pueden ser individuales (de cada elemento o piso) o generales (de toda la estructura) según su objeto de análisis. Con los primeros es posible formular una secuencia de falla de la edificación con base en la línea de menor resistencia. Por otra parte el inverso de los índices generales de toda la edificación representa la vulnerabilidad de la misma como una fracción de la resistencia o de la rigidez que tendría una edificación nueva construida de acuerdo a las NSR-98. 45 Para el edificio Aulas Sur en su estado actual se esperan derivas entre 3% y 5.5% en sentido este-oeste y entre 1.5% y 3.6% para el sentido norte-sur, lo que indica una mayor rigidez según la dirección de mayor inercia de las columnas. Como este edificio fue diseñado y construido siguiendo el CCCSR (Código Colombiano de Construcciones Sismo Resistentes,1984) las NSR98 (Asociación Colombiana de Ingeniería Sísmica, AIS 1998) permiten que la deriva alcance 1.5% valor que es mayor que el calculado. Por lo anterior fue necesario aumentar la rigidez en ambas direcciones adicionando eles de concreto reforzado en la periferia de las dos etapas del edificio tal como se muestra en la figura 3. En todos los casos el cociente entre la deriva en un extremo de eje y la deriva promedio estuvo entre el rango de 0.80 a 1.20 por lo que se concluyó que el edificio no presenta irregularidad torsional. Al adicionar los refuerzos mencionados las derivas resultaron dentro de un rango entre 0.34% y 1.36% equivalentes a índices de flexibilidad de 0.34 y 1.36 menores que el máximo permitido. En la revisión de posible impacto entre edificios la mínima distancia al moverse los mismos ante un sismo resultó entre 13.1 cm y 14.8cm que son valores menores a la junta existente de 15 cm. En general, en su estado actual, la etapa II es más rígida que la etapa I. Además de los índices de flexibilidad horizontal se evaluaron aquellos propios de las cargas verticales, los índices de flexibilidad vertical.. Para ellos la deflexión obtenida para carga permanente se multiplicó por un factor l que toma en cuenta las deflexiones adicionales a largo plazo debidas a retracción de fraguado y flujo plástico en cada sección de viga calculado según {3}: {3} donde x es el coeficiente de efectos a largo plazo tomado igual a 2.0 en este trabajo (para 5 años o más) y r´ es la cuantía del refuerzo a compresión. Debe anotarse que la estructura analizada tiene cerca 46 de 10 años de edad por lo que puede considerarse que este factor no es necesario. Sin embargo el tomarlo en cuenta es conservativo; aún así el índice de flexibilidad vertical osciló entre 0.014 y 0.981 con lo que se concluyó que la estructura posee una buena rigidez vertical. El edificio Fundadores en su estado actual puede alcanzar derivas de 1% en sentido este-oeste y 0.82% en sentido norte-sur, mayores que la máxima permitida (Asociación Colombiana de Ingeniería Sísmica, AIS 1998) de 0.5%. Además es conveniente recordar que por encima de 0.25% un muro de mampostería tiene agrietamientos severos que imponen una gran demanda de ductilidad y reducen su resistencia. Este edificio tampoco presenta irregularidad torsional pues sus cocientes de derivas oscilan entre 0.96 y1.04 y los índices de flexibilidad vertical resultaron entre 0.401 y 0.949 (menores que la unidad). Para dar mayor rigidez y resistencia a este edificio fue necesario modelar cambios de varios muros de mampostería por muros de concreto reforzado, reforzar las cortinas existentes y cortar algunos muros largos existentes para modificar su responsabilidad. Una vez efectuadas estas modificaciones las derivas se redujeron a un rango de 0.11% hasta 0.46% correspondientes a índices de flexibilidad horizontal de 0.29 hasta 0.92 (menores que la unidad). Las NSR-98 (Asociación Colombiana de Ingeniería Sísmica, AIS 1998) definen el índice de sobreesfuerzo como el cociente entre las solicitaciones equivalentes y la resistencia efectiva de cada sección, donde las primeras deben evaluarse no sólo usando los resultados de un análisis elástico lineal sino que además deben considerar el desempeño real que es capaz de lograr cada parte de la estructura considerando su construcción real y no únicamente su rigidez relativa. Así por ejemplo los cortantes de diseño de columnas y vigas serán los mayores valores de los obtenidos en el análisis estructural o en la consideración del elemento aislado soportando los momentos probables en cada extremo y su carga aferente. En general la determinación de las fuerzas de diseño estuvo siempre ceñida a los valores más desfavorables de los resultantes del análisis, de los prescritos en el capítulo C.21 de las NSR-98 o de los recomendados por diversas investigaciones tales como las reportadas en las referencias 32 y 34. Para las vigas del edificio Aulas Sur los efectos analizados fueron flexión y cortante, pues al verificar la torsión ésta resultó muy pequeña (torsión secundaria). Así mismo la fuerza axial no superó en ningún instante un valor de 5% de la resistencia bruta a compresión del concreto de la sección. Para las vigas de Fundadores se analizó además el efecto de carga axial producido por la reacción a puntales de muro sobre las esquinas de los elementos de confinamiento. La mayoría de vigas se hallaban originalmente subreforzadas (sin aporte del acero de compresión) especialmente en la etapa 1 del edificio Aulas Sur y en el edificio Fundadores. Los momentos flectores de diseño usados para calcular los índices de sobreesfuerzo en el estado original corresponden a los mayores valores (mínimos negativos o máximos positivos) obtenidos del análisis estructural. Sin embargo para el estado final se modificaron los valores obtenidos del análisis usando una redistribución de momentos en todo caso menor que 25%. En la etapa I de Aulas Sur, las vigas presentaban una muy baja longitud de anclaje para momento positivo en el apoyo lo que explica la alta vulnerabilidad de las mismas que se observa en la tabla 7. Además se encontró que las mismas se hallan solicitadas por encima de su capacidad en estado original, lo que indica que talvez se usó redistribución de momentos en el diseño original. En el caso de las solicitaciones equivalentes de cortante dominó el criterio por desempeño real, es decir en todos los casos el cortante calculado usando los momentos probables Mpr (capítulo C.21 de NSR-98) resultó mayor que el obtenido en el análisis elástico. En la etapa II de Aulas Sur las vigas presentan muy buena capacidad ante flexión pero insuficiente resistencia ante el cortante. EFECTO Elemento Flexión(-) Flexión(+) Flexión(CL) Corte Flexo-Comp Axial Vigas 0.65 a 1.92 0.30 a 39 0 a 1.63 0.37 a 2.24 NA NA Columnas NA NA NA 0.40 a 2.23 1.00 a 6.50 NA AULAS SUR Nudos NA NA NA 1.00 a 2.57 NA NA Rcolumna/Rviga 0.25 a 4.12 0.25 a 4.12 NA NA NA NA Vigas Cimentación 1.45 a 4.15 1.45 a 4.15 NA 0.26 a 1.08 NA 0.22 a 0.51 Zapatas NA 0.28 a 1.18 NA 0.27 a 2.07 NA NA FUNDADORES Vigas Confinamiento NA NA NA 1.6 a 3.0 NA 0.9 a 1.93 Columnas Confinam NA NA NA 1.24 a 3.65 NA 0.36 a 1.96 Muros Mampostería NA NA NA 0.43 a 8.20 2.69 a 30.29 NA Puntales de Muro NA NA NA NA NA 0.06 a 1.09 Cortinas Concreto NA NA NA 0.04 a 2.44 0.64 a 2.20 NA Cimentación NA NA NA 0.57 a 1.78 NA NA Tabla 7. Resumen de índices de sobreesfuerzo en el estado original (actual) 47 En la tabla 7 el término Rcolumna/Rviga se refiere a la relación de resistencias a flexión de columnas y vigas que llegan a un nudo la cual permite verificar que se garantice el mecanismo de columna fuerte y viga débil. Cabe aclarar que los rangos expuestos en esa tabla sólo muestran el mínimo y máximo valor pero no su distribución estadística, por lo que no pueden calcularse promedios de ella. En cada análisis se revisó la estabilidad lateral de la estructura y los consiguientes efectos P-Delta calculando el índice de estabilidad Q según lo establecido en las NSR-98 (Asociación Colombiana de Ingeniería Sísmica, AIS 1998), resultando siempre Q<0.10 por lo que se concluyó que el edificio Aulas Sur es estable y los efectos P-Delta no son importantes (todos los factores de pandeo global dg=1.00). En cuanto a los efectos locales de esbeltez se encontró en todos los casos que no es necesario considerar el posible arrugamiento local (dl=1.00). Para evaluar la resistencia efectiva de cada sección de columna del Edificio Aulas Sur ante la flexocompresión se usó el programa PCACOL considerando en cada caso las solicitaciones biaxiales de las 27 combinaciones de diseño y escogiendo los menores valores de momento resistente en un eje fijando en el otro eje el momento sobre el contorno de falla. Una vez hecho esto se calculó el índice de sobreesfuerzo en cada dirección y se escogió el mayor como representativo de la sección. En el caso de los muros de mampostería del edificio Fundadores se usó el mismo programa pero solicitado con flexión uniaxial. La vulnerabilidad de cada elemento se calculó como el inverso de su mayor índice de sobreesfuerzo sin discriminar el efecto. La cronología de falla de la estructura en su estado original se resume en la tabla 8 ordenada de arriba hacia abajo, lo que indica que los elementos de la parte superior de la tabla fallarán primero que los de la parte inferior. El porcentaje que aparece en la tabla 8 indica la resistencia de que realmente dispone el elemento comparada con la que se le solicita. Los valores más bajos del edificio Aulas Sur son debidos a la falta de capacidad de momento positivo en los extremos de las vigas ocasionada por falta de anclaje y a insuficiente resistencia de algunas columnas. En el caso del edificio Fundadores al combinar los efectos más desfavorables sobre la estructura fallarán primero los muros en modos de flexión y cortante produciendo inicialmente grietas en la pata y juntas o diagonales del muro que rápidamente degenerarán en colapso. Por todo lo anterior y debido a los bajos índices de sobreesfuerzo ante carga axial pura, puede decirse que el diseño original se basó en componentes de carga vertical fuertes en combinación con un pequeño porcentaje por sismo. Como era práctica en ese entonces seguramente el diseñador optó por que el 100% de la carga vertical fuese soportada por la mampostería en tanto que a las cortinas de concreto les asignó el sismo de diseño equivalente al 10% del peso total de la estructura lo que contrasta con el porcentaje actual de 82.5%. ELEMENTOS AULAS SUR La mayoría de vigas de la etapa I (16% del total) Otras vigas y columnas de ejes E´´-5 y E´´-8 (4% del total) Otras columnas y vigas pisos superiores (25% del total) Voladizos y columnas extremo este pisos superiores (45% del total) FUNDADORES Muros largos de periferia y cortina C3 (5% del total) Otros muros centrales y cortinas C2 y C4 (16% del total) Otros muros(12% del total) Muros seguros (67% del total) Tabla 8. Vulnerabilidad de la estructura original y cronología de falla 48 VULNERABILIDAD 3% 3% a 16% 18% a 30% 31% a 70% >71% 10% a 20% 21% a 50% 51% a 99% >100% 2.6. DISEÑO DE SOLUCIONES Cómo quiera que los refuerzos requeridos representaron modificaciones a la rigidez de la estructura fue necesario desarrollar el análisis elástico general varías veces y corregir en la misma medida las fuerzas de diseño. La resistencia del concreto a los veintiocho días f´c conservó los valores originales en tanto que los muros de concreto a adicionar se diseñaron para un concreto con f´c=21 MPa. Por otra parte todo el acero de refuerzo nuevo (barras longitudinales y estribos) debe tener una resistencia de fluencia fy=420 MPa sin discriminar su diámetro. Sin embargo para platinas y ángulos ésta especificación es de fy=240 MPa. El diseño de superficies de adherencia con epóxicos se desarrolló siguiendo las instrucciones del fabricante, por lo que se usó una resistencia al corte de 26.20 MPa y una adherencia acero-concreto de 17.90 MPa. Para desarrollar el esfuerzo de fluencia de cualquier barra de acero se calculó la longitud mínima necesaria de cada anclaje que resultó del orden de seis veces el diámetro de la barra. Sin embargo, para minimizar el riesgo de extracción se analizó el cono probable de falla usando las características de esfuerzo resistente a cortante para el concreto, en cuyo caso se requiere que la longitud de anclaje para barras con epóxico sea nueve diámetros de barra. Aunque la unión de superficies de concreto viejas y nuevas soporta según el fabricante una adherencia de 30 MPa, aquí realmente se usaron esfuerzos entre 5.3 y 6.1 MPa siguiendo lo establecido en las NSR-98 (Asociación Colombiana de Ingeniería Sísmica, AIS 1998). La resistencia nominal a flexión se halló en todos los casos usando el rectángulo de esfuerzos de Whitney (con b=0.85) y considerando linealidad de deformación en la sección incluso en el momento de la falla. La deformación en la fibra máxima del concreto o mampostería tomada fue de eu= 0.003 y sus módulos de elasticidad se calcularon como Ec=3900*(f´c)^0.5 y Em=750*f´m con f´c y f´m en MPa, siendo la resistencia de la mampostería f´m=9.8 MPa. Los momentos probables de cada sección se calcularon usando un esfuerzo en el acero igual a 1.25*fy y un factor de reducción de momento nominal igual a f=1.00. En el caso de columnas se conservó la carga axial original pero se modificaron los factores dados anteriormente dando un contorno de falla modificado. La resistencia de falla a cortante se halló en cada caso usando el modelo de puntales y considerando el aporte del acero de refuerzo transversal y el propio del concreto siempre que las esfuerzos debidos al sismo estuviesen dentro de los límites establecidos en las NSR98 (Asociación Colombiana de Ingeniería Sísmica, AIS 1998) Para las vigas y columnas del edificio Aulas Sur se diseñaron encamisados de concreto y refuerzos sobrepuestos con ángulos y platinas adheridas con epóxico. En el diseño de encamisados de concreto reforzado se tuvo en cuenta la interfase entre el concreto viejo y el nuevo y su trabajo en conjunto no sólo por esfuerzos de compresión sino también por la adherencia necesaria entre esas dos superficies (flujo de cortante). Por otra parte el diseño de platinas y ángulos de refuerzo se basó en las áreas requeridas por flexión o cortante y se buscó garantizar una apropiada transferencia de fuerzas hasta cada uno de los extremos de la viga o columna. El diseño de nudos requirió el cálculo del área necesaria para resistir el cortante que podría desarrollarse por los refuerzos definitivos de las vigas y columnas que llegan a éstos y consideró además su grado de confinamiento. En este análisis se tomó en cuenta la posible inversión de fuerzas que produce el sismo. Como los muros de concreto exigen al suelo una alta capacidad de soporte bajo el sismo de diseño, se espera que el cimiento pierda contacto en una parte de su longitud de forma cíclica con lo que la analogía 49 de esfuerzos lineales de tracción y compresión deja de ser cierta al sólo existir esfuerzos de compresión excéntricos. Debido a esto la reacción esperada del suelo se dedujo planteando el equilibrio de fuerzas y momentos (impuestos contra resistentes máximos del suelo). Así mismo dichos muros quedarán solicitados por un bajo nivel de carga axial que oscilará entre el 2% y el 8% de la resistencia bruta de la sección en concreto simple y el cociente entre su altura y su ancho de base resultó de 4.23>2.00 por lo que en su diseño primaron los efectos de flexión y cortante y se verificaron sus extremos para evitar aplastamiento prematuro o pandeo por esbeltez. De los elementos no estructurales sólo se revisan los muros debido a que las instalaciones de infraestructura se encuentran embebidas en elementos que las adosan de manera continua y segura y su masa es pequeña. Los muros, en su totalidad de mampostería de arcilla no presentan confinamiento ni uniones confiables a la estructura por lo que fue necesario el diseño de vigas y columnas de confinamiento así como de juntas estructurales entre estos y el sistema principal. En cuanto a la cimentación fue necesario diseñar algunos encamisados en zapatas para mejorar su desempeño ante flexión y evitar falla del suelo. Para el edificio Fundadores se diseñaron los recubrimientos superiores que le permitirán a las losas su trabajo como diafragma rígido. Así mismo se concibieron columnas de confinamiento que deben incrustarse en los muros de mampostería, cintas metálicas adosadas bajo las placas que le ayuden a las vigas a resistir las cargas axiales por acción de puntal del muro, encamisados en malla y mortero para muros de mampostería para soportar mejor los cortantes sísmicos y encamisados de zapatas con pilotes para garantizar la transferencia apropiada de las cargas al suelo. Todo los diseños fueron consignados en ocho planos para el edificio Aulas Sur y en seis planos para el edificio Fundadores los cuales fueron entregados al 50 FINU, quien a su vez debe reportar estos resultados a la oficina de planeación de la U.F.P.S. 3. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES 3.1. El edificio Aulas Sur está construido en dos etapas separadas por una junta estructural de 15 cm y presenta actualmente una alta flexibilidad por lo que es necesario intervenir su estructura. El aumento de rigidez se logró en este caso adicionando cuatro muros de concreto reforzado en las esquinas exteriores de cada etapa (para un total de ocho) y encamisando las columnas existentes. El índice de flexibilidad actual es de 5.51 para la etapa 1 (que contiene los accesos) y de 4.82 para la etapa 2 que se reducen a 1.36 y 1.02 considerando las mejoras mencionadas. Es evidente la mayor flexibilidad del edificio en sentido este-oeste. 3.2. El edificio Aulas Sur fue diseñado usando el Decreto 1400 de 1984 (CCCSR) por lo que al comparar los requisitos de éste con los de las NSR98(2) parece lógico que presente esa alta flexibilidad. En dicho decreto se permitía calcular las derivas usando las fuerzas sísmicas divididas por el coeficiente de disipación de energía R que luego se aumentaban usando un coeficiente de amplificación Cd. Además la deriva permitida en ese entonces era de 1.5% mientras que hoy sólo se admite 1.0%. Con todo lo anterior la proporción de desplazamientos permitidos entre la norma vigente y el decreto citado puede oscilar entre cuatro y cinco veces. 3.3. La principal fuente de vulnerabilidad actual de la estructura de Aulas Sur se halla en la falta de anclaje suficiente en las zonas de momento positivo de los extremos de vigas. Sin embargo preocupa más la baja resistencia de algunas columnas de los ejes ubicados hacia la periferia del edificio tales como C5, C9, todo el eje E´´´, y las columnas que rodean las escaleras. 3.4. La etapa 1 de Aulas Sur presenta mayor vulnerabilidad que la etapa 2, particularmente las vigas tendidas en sentido este-oeste (ejes B,C´, D, E´´´) estarán altamente esforzadas en el evento de un sismo intenso por lo que se proponen encamisados que le permitan ganar alta resistencia y rigidez moderada. Sin embargo en caso de ocurrir el colapso se iniciaría en las vigas tendidas en dirección norte-sur. 3.5. Actualmente los nudos del edificio Aulas Sur no presentan garantías para soportar la demanda máxima que le pueden imponer las vigas que llegan a ellos. Tampoco puede esperarse en evento de un sismo intenso que se desarrolle el mecanismo columna fuerteviga débil. 3.6. El edificio Fundadores presenta actualmente una flexibilidad mayor que la permitida por las NSR-98 (Asociación Colombiana de Ingeniería Sísmica, AIS 1998). Sin embargo es debido a su baja capacidad actual de soportar el sismo de diseño por lo que es necesario intervenirlo. El aumento de resistencia y rigidez se logró en este caso adicionando dos muros tubulares de concreto reforzado en su fachada norte, reforzando las cortinas existentes en la zona sur y este, y cambiando el material de tres ductos centrales de mampostería y un muro largo en la zona sur-occidental a concreto reforzado. Además fue necesario adicionar columnas y platinas horizontales de confinamiento a muros de mampostería así como encamisarlos con malla y pañete. El índice de flexibilidad actual es de 2.00 y se reduce a 0.92 considerando las mejoras mencionadas. Es evidente la mayor flexibilidad del edificio en sentido este-oeste. 3.7. El edificio Fundadores fue diseñado y construido a principios de la década de los años setenta, seguramente con el criterio de asignar responsabilidades a los elementos según su material. Puede pensarse que los muros de mampostería se diseñaron sólo para carga vertical, para lo cual poseen una muy buena rigidez. Así mismo, tal como se hacía antiguamente, las cortinas de concreto reforzado pudieron diseñarse para soportar una fuerza horizontal debida al sismo equivalente al 10% del peso total del edificio en contraste con la que se asigna hoy de 82.5% de dicho peso. Esto explica la alta vulnerabilidad actual del edificio que reposa en la diferencia del estado del arte de esa época y el actual. 3.8. La principal fuente de vulnerabilidad actual del edificio Fundadores se halla en la falta de elementos de confinamiento (columnas y vigas) capaces de resistir la tracción que le exigen los momentos de diseño y las fuerzas puntales de los muros. Así mismo existen muros de mampostería muy largos (alta rigidez) y ubicados en la periferia que absorben un gran porcentaje de la demanda sísmica la cual no pueden soportar. 3.9. Actualmente el edificio Fundadores posee placas armadas en una dirección que no tienen losa superior que actúe como diafragma rígido en el evento de un sismo. Esto hace que presente una irregularidad en planta tipo 3P tal como la definen las NSR-98 (Asociación Colombiana de Ingeniería Sísmica, AIS 1998). Por lo anterior se propone adicionar una losa de 5 cm de espesor sobre las tres placas de piso lo que vuelve regular la configuración de la estructura y permite modelar las placas como diafragmas rígidos, mejorando a su vez la distribución de cortantes como un solo cuerpo. 3.10. El diseño de refuerzos consideró las opciones más económicas y eficientes desde varios puntos de vista. Se trató de preservar la arquitectura original, de producir el menor tiempo de cese de servicio del edificio, y de causar el menor daño en elementos existentes. 3.11. El suelo de sustentación está constituido por gravas y arenas con ángulos de fricción interna superiores a 30º y tiene suficiente resistencia para soportar las cargas impuestas en el evento de implementar las mejoras. 3.12. El refuerzo de estos edificios no es obligatorio según los decretos 33 de 1998, 34 de 1999 y 2809 de 2000 (NSR-98) y la decisión de implementar o no las mejoras propuestas obedece a la voluntad y recursos disponibles de la U.F.P.S. 51 3.13. La solución planteada en este trabajo corresponde a la que según criterio y medios del autor es la más práctica y económica. Sin embargo la U.F.P.S. puede investigar otras opciones tales como el aislamiento de la base de cada edificio o diseñar los refuerzos para un sismo con período de recurrencia menor al establecido en las NSR-98 y por consiguiente asumir un mayor riesgo. FLANAGAN, Roger, BENNETT, Richard. Bidirectional behavior of structural clay tile infilled frames. Journal of structural engineering. March 1999. p236-244. FLANAGAN, Roger, BENNETT, Richard. In-plane behavior of structural clay tile infilled frames. Journal of structural engineering. June 1999. p590-599. FUNDACIÓN ICA. Edificaciones de mampostería para vivienda. 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