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Tesis de carrera de un proyecto de enfermera que habla de las enfermedades
Tipo: Esquemas y mapas conceptuales
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Que para obtener el título de
Ciudad Universitaria, Cd. Mx., 2018 UNIVERSIDAD NACIONAL AUTÓNOMA DE MÉXICO
Agradezco a la Dra. Silvia Raquel García Benitez, que estuvo apoyándome a lo largo de estos meses, por su dedicación y paciencia, así como cada uno de sus consejos y correcciones que hicieron posible el avance y conclusión de esta tesis, siempre pendiente de mi constante aprendizaje. La calidad de su trabajo me hicieron concerla y admirar su trabajo y persona. Le doy gracias al Instituto de Ingeniería de la Universidad Nacional Autónoma de México por brindarme un espacio de trabajo durante el periodo de realización de esta tesis. Agradezco también a cada uno de los sinodales. El Ing. Servando Arana, Ing. Javier Mancera, Ing. Gabriel Salinas y al Dr. Moisés Dávila por sus correcciones. Finalmente agradezco a mi familia, amigos y compañeros que estuvieron presentes en cada etapa a lo largo de este trayecto, brindándome siempre su apoyo incondicional y que son la razón principal de cada uno de mis logros.
La presente tesis tiene como objetivo mostrar cómo hacer una red neuronal para determinar la capacidad de carga de pilas y pilotes en suelos cohesivos y no cohesivos introduciendo a los aspectos teóricos y prácticos. Teóricos para conocer el comportamiento de los suelos, pilas y pilotes bajo diferentes condiciones, y prácticos cuando se habla de redes neuronales. La parte central de esta tesis que se refiere a los modelos de capacidad de carga nos da a conocer los modelos de distintos autores que en base en conocimientos empíricos y semi-empíricos dieron a conocer métodos para determinar la capacidad de carga. Al final se muestran los resultados de dichos métodos en comparación con la información que nos brinda una red neuronal y se realiza una comparación que evidencia la eficacia de trabajar con éstos. Dichos entrenamientos se hicieron con base a datos de distintos países y suelos, con distintas características geométricas y geotécnicas. ABSTRACT The aim of this thesis is to show how to make a neural network to determine the load capacity of piles and piles in cohesive and non-cohesive soils, introducing theoretical and practical aspects. Theoretical to know the behavior of soils, piles and piles under different conditions, and practical when talking about neural networks. The central part of this thesis that refers to models of load capacity give us the opportunity to know the models of different authors who based on empirical and semi-empirical knowledge to know methods to determine the carrying capacity. In the end, the results of these methods are shown in comparison with the information provided by a neural network and this comparison demonstrates the effectiveness of working with them. These trainings were made with data from different countries and soils, with different geometrical and geotechnical characteristics.
Mostrar el proceso de construcción, categorización e interpretación de una RN para estimar la capacidad de carga de un pilote ante diversas condiciones de suelos y relaciones geométricas. Objetivo Específico Categorizar modelos neuronales para estimar la capacidad de carga de pilotes sujetos a carga axial, compresión y extensión, en suelos, cohesivos y no cohesivos. Reconocer las ventajas, sobre los modelos convencionales, de analizar la capacidad de carga de pilotes con RNs. Analizar los parámetros con mayor efecto sobre la capacidad de carga estimada.
Definir la secuencia/metodología general para abordar problemas ingenieriles con RNs. Enunciar las etapas de conformación de los archivos de entrenamiento y prueba de modelos del cómputo aproximado. Establecer los criterios más seguros en la elección de valores estimados con herramientas tipo “caja negra” y que son alimento para el diseño/análisis en las ingenierías geológicas y geotécnicas.
Esta tesis progresivamente introduce al lector a la teoría de las redes neuronales y a su aplicación en la determinación de la capacidad de carga de pilotes. En el capítulo 2 se encuentran los conceptos útiles para comprender el comportamiento de los suelos en los que se sostienen los pilotes, mientras que el capítulo 3 abarca conceptos generales sobre redes neuronales; se describe, no exhaustivamente, sus bases matemáticas, las reglas de entrenamiento y se enuncia la metodología para concretar un
modelo neuronal, explicación dirigida a su inclusión como alternativa de análisis en la Ingeniería Civil. En el capítulo 4 se incluyen algunas descripciones sobre los modelos de capacidad de carga de pilotes y se enuncian las etapas generales de las pruebas de carga, haciendo hincapié en su interpretación y particularidades, ya que a partir de estos registros se construye el modelo presentado en esta investigación. En el capítulo 5 se presentan los resultados de los ensayes con Redes Neuronales sobre la numeralia de pruebas de capacidad de carga. En las conclusiones de esta investigación, se concreta sobre las ventajas y particularidades del modelo neuronal en la solución de cuestionamientos prácticos ingenieriles.
o Plasticidad y o Granulometría Así el reconocimiento para nombrar completamente al suelo requiere de la descripción Cualitativa y el análisis Cuantitativo. Sólo la presentación de estos dos análisis permite completar correctamente la etiqueta del suelo. A continuación, se presenta un resumen de los descriptores que más se usan en la Geología y la Geotecnia para etiquetar una masa de suelo, al lector interesado en profundizar en el tema se recomienda la lectura de los libros (Norbury, 2010; Fratta, 2007; Sivakugan, 2011; Das, 2001 ), bases bibliográficas del texto que se presenta.
En el análisis granulométrico de los suelos se determina el tamaño de las partículas y la distribución de los distintos tamaños contenidos en la masa analizada. A través del Tamizado (por vía seca o por vía húmeda) se pesan y reportan los porcentajes contenidos de diferentes diámetros (previamente establecidos, (Orozco Carrillo, 1991). Obtenida la distribución por tamaño de las partículas presentes en una muestra de suelo se usan los sistemas de clasificación AASHTO o SUCS (más comúnmente) para rotularla. Este ensayo es muy importante ya que gran parte de los criterios de aceptación de suelos para ser utilizados en bases o sub-bases de carreteras, presas de tierra o diques, drenajes, etc., dependen de este análisis. Para obtener la distribución de tamaños, se emplean tamices normalizados y numerados, dispuestos en orden decreciente Figura 2.1. Para suelos con tamaño de partículas mayor a 0,074 mm (74 micrones) se utiliza el método de análisis mecánico mediante tamices de abertura y numeración indicado en la Figura 2.1. Para suelos de tamaño inferior, se utiliza el método del hidrómetro, basado en la ley de Stokes.
Figura 2.1 Tabla de número y apertura de tamices (tomada de Espinace R., 1979) El resultado material de este ensaye es la curva granulométrica que es la representación gráfica de los resultados obtenidos en el laboratorio cuando se analiza el tamaño de las partículas y su porcentaje de peso respecto del total analizado. Un ejemplo ilustrativo de lo que significa una curva de este tipo se presenta en la Figura 2.2. Figura 2. 2 Curvas granulométricas, distribuciones y concepciones a partir de las curvaturas y los tramos rectos (modificado de Fratta, 2007)
Figura 2.4. Ejemplo de ajuste granulométrico, a la izquierda el uso granulométrico del sub-balastro en gráfica y a la derecha la tabla que corresponde a esta aplicación carretera.
Por ser uno de los aspectos clave en el diseño de las estructuras civiles, la Plasticidad (la capacidad de deformarse de los suelos hasta cierto límite, sin romperse) es una de las propiedades que más profundamente se estudia para calificar un suelo. Esta propiedad depende de la composición mineralógica y es una cualidad relativa a los suelos finos o de la parte fina de la masa de suelo analizada (recordar que suelo fino es todo material que pasa la malla # 200 en un análisis granulométrico). Otra forma de definir a la plasticidad es como la propiedad que presentan algunos suelos de modificar su consistencia (o dicho de otra forma, su resistencia al corte) en función de la humedad. Existe una correspondencia entre la plasticidad de un suelo y su cohesión. La plasticidad, como propiedad exclusiva de los suelos finos (arcillas y limos), es producto de las relaciones electroquímicas que se establecen entre las superficies de los elementos que forman el agregado. Con base en este hecho, una división muy aceptada y explotada en los ámbitos ingenieriles es la que califica al suelo como: a) No cohesivos : son suelos que no poseen ninguna cohesión y consisten en rocas, gravas y arenas, y
b) Cohesivos : son suelos que poseen características de cohesión y plasticidad; estos suelos pueden contener en ciertas proporciones suelos granulares sin que éstos anulen sus propiedades cohesivas y plásticas; ejemplos de estos suelos son las arcillas y los limos.
Albert Mauritz Atterberg definió, para el uso en agronomía, cuatro estados en los que puede encontrarse un suelo plástico en función de su consistencia, que varía según la humedad: sólido, semisólido, plástico y líquido Figura 2.5. Un suelo plástico seco se encuentra en estado sólido; al incrementar su humedad varía de forma gradual su consistencia hasta llegar al estado líquido. Los umbrales de humedad que separan cada uno de los estados son denominados límites de Atterberg Figura 2.6. Figura 2.5. Cambio de volumen asociado a la variación de humedad en arcillas (modificado de Bowles, 1981)
El Límite Plástico (WP) corresponde al umbral de humedad de un suelo por encima del cual el material muestra una deformación de tipo plástica en relación a las tensiones aplicadas; empíricamente se relaciona con la humedad por debajo de la cual resulta imposible moldear un cilindro de 3 mm de diámetro (en el procedimiento original se consideraba un diámetro de una décima de pulgada). El apelativo coloquial de este test es el del ensayo “del churrito”, por motivos evidentes Figura 2.8. Figura 2.8 Determinación del Límite Plástico (tomada de Holtz & Kovacs, 1981 ) El límite de retracción (Ws), denominado también “de contracción” en la literatura técnica hispanoamericana, se define como la humedad por debajo de la cual el suelo deja de presentar una disminución de volumen pareja a la disminución de la humedad (proceso de retracción); por debajo de dicho umbral se entiende que parte de los poros del suelo se encuentran ya ocupados por aire, por lo que se asume que el límite de retracción corresponde con la humedad de saturación de una arcilla (que al contrario de lo que ocurre en un suelo granular, no equivale al máximo contenido en agua que pueda presentar el suelo). Cuanto mayor sea el rango de humedad entre los diferentes límites de plasticidad, mayor cantidad de agua podrá asumir un suelo sin variar su estado de consistencia, entendiéndose por este comportamiento el concepto cualitativo de “plasticidad”; la diferencia entre el valor de humedad correspondiente al límite líquido y al límite plástico se define como
“índice de plasticidad” (IP), siendo pues “más plástico” pues un suelo cuanto mayor sea este índice. 𝐼𝑃 = 𝑊𝐿 − 𝑊𝑃 ( 2. 1 ) La clasificación de los suelos finos según su plasticidad tiene en consideración los valores del límite líquido y del índice de plasticidad. El valor del límite líquido WL = 50 se considera como umbral que distingue los suelos de alta y media plasticidad, y el de WL = 30 distingue entre suelos de plasticidad media y baja; una clasificación más habitual y simplificada considera los suelos de plasticidad media y baja en un único grupo de suelos de baja plasticidad. Representando la pareja de valores (WL, Ip) por un punto en un gráfico de coordenadas, situando en abscisas WL y en ordenadas Ip, es posible clasificar el suelo en uno de los grupos definidos por A. Casagrande, según muestra en la Figura 2.9. Figura 2.9. Gráfico de Casagrande, caracterización de suelos finos a partir de sus valores de consistencia (modificada de ASTMh, 2017 ). En el gráfico hay dos líneas rectas principales que separan cuatro regiones. Una línea es vertical y corresponde a WL = 50 (delimita los suelos de plasticidad alta o baja). La otra es una diagonal, la llamada línea “A”, que delimita las arcillas (por encima de la línea) y los limos (por debajo de la misma) y tiene por ecuación: 0 10 20 30 40 50 60 70 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 IF WL CL CH MH-OH ML-OL ML
Figura 2.10. Factores que se involucran en la densidad del suelo (modificada de Duque, 2003).
Se define como el peso del suelo seco por unidad de volumen total de suelo y se expresa por (Tamez, 2001): 𝛾𝑚 = Wm Vm
Donde Wm: es la masa del suelo Vm: es el volumen total de la muestra de suelos Peso volumétrico húmedo (𝛾ℎ) Es el peso por unidad de volumen total del suelo, incluyendo el peso del agua (Tamez, 2001): 𝛾ℎ =
También podemos relacionar el peso volumétrico con algunas otras propiedades de los suelos como la densidad, compactación y permeabilidad, así como la resistencia (Duque & Escobar, 2002). Por ejemplo, si un material tiene un valor alto de peso volumétrico probablemente tendrá mayor compactación, por lo tanto mayor densidad y consecuentemente menor permeabilidad. Pero hay excepción si hablamos de los minerales que contiene, debido a
que si llegase a contener minerales pesados esta linealidad no se verá completamente reflejada.
En todos los casos, las fuerzas internas entre los granos de una masa de suelo, se traducen en tensiones. Entre ellas podemos diferenciar tres tipos que son: Esfuerzos normales, () Esfuerzos tangenciales, () Esfuerzos neutros, (u) Los primeros pueden ser de compresión o de tracción y actúan siempre en forma normal al plano considerado. El segundo son las tensiones de corte y se ubican siempre en forma paralela y coinciden en su dirección con el plano considerado. El tercero, en cambio, se debe al incremento o decremento de presión que se produce en el agua de los poros del suelo cuando el plano que consideramos se encuentra sumergido; como se trata de una presión hidrostática, actúa en todas direcciones. Las tensiones normales y las tensiones principales actúan en forma normal al plano que estamos considerando, con la diferencia que en los planos en los que actúan las Tensiones Principales no se manifiestan tensiones de corte, es decir que las tensiones tangenciales son nulas.
Cuando una masa de suelo es sujeta a carga, como cuando se imponen estructuras civiles, la zona conocida como Plano de Falla no atraviesa los granos del mineral que conforman la masa de suelos (figura 2.11a) sino que el deslizamiento que se produce ocurre entre grano y grano (figura 2.11b) lo que equivale a decir que la resistencia que ofrece una masa
