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Laboratorio de Dinámica de Suelos
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Descripción general de las instalaciones físicas y de los proyectos que se han desarrollado
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Introducción
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Grandes porciones del país se ubican en zonas sísmicas muy activas, por lo que el conocimiento de las propiedades dinámicas de los suelos resulta un campo de estudio de gran relevancia, cuando de la Protección Civil y la construcción de la infraestructura y otras obras se trata. Tal importancia se puso de manifiesto a raíz de la ocurrencia de los sismos de 1985, cuando una de las primeras lecciones fue que, en particular en la ciudad de México, los daños más importantes que se presentaron en edificios y otras obras de ingeniería sucedieron en zonas con depósitos de suelos blandos y deformables que amplificaban las ondas sísmicas; por otra parte, fue claro que en zonas de la capital con formaciones rocosas o depósitos de suelos más competentes, la intensidad sísmica fue mucho menor. El fenómeno primeramente mencionado conocido como "efecto de sitio", fue el principal motivo de los daños ocurridos durante los sismos del 85.
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Volcamiento de un edificio en la ciudad de México durante el sismo de 1985
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Colapso de la planta baja de un edificio en la ciudad de Puebla durante el sismo de 1999
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Zonas con depósitos de suelos blandos y deformables que amplifican las ondas sísmicas
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De aquí que desde su creación, el Centro Nacional de Prevención de Desastres estableció la necesidad de contar con equipo experimental de laboratorio, de desarrollo tecnológico reciente, para determinar las propiedades dinámicas de los suelos de interés ingenieril, a fin de aportar la información fundamental para conocer la respuesta de los depósitos de materiales térreos ante acciones sísmicas; y con ella, la de las cimentaciones y estructuras térreas que ahí se construyen. Otros campos de aplicación de las propiedades dinámicas son los referentes a la interacción dinámica suelo-cimentación-estructura y a la revisión de la susceptibilidad a la licuación de suelos arenosos saturados.
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Cámara Triaxial de Columna Resonante
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Cámara Triaxial Cíclica Torsionante
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Las propiedades dinámicas de que se trata son el módulo cortante dinámico (G) y el cociente de amortiguamiento respecto al crítico; éstas se determinan en el Laboratorio de Dinámica de Suelos mediante el uso de una Cámara Triaxial de Columna Resonante y una Cámara Triaxial Cíclica, ambas con excitación torsionante, que es la condición de esfuerzos y distorsiones que mejor simula el paso de ondas sísmicas por un depósito de suelos. Dada la naturaleza de los suelos y su comportamiento esfuerzo-deformación no lineal es necesario recurrir a estos dos equipos modernos, a fin de cubrir todo el intervalo de distorsiones de interés; para distorsiones angulares bajas a medias (0.0005% a 0.3%) se usa la Cámara Triaxial de Columna Resonante, en tanto que la Cámara Triaxial Cíclica Torsionante es empleada para el intervalo de distorsiones medias a grandes, incluyendo la falla dinámica.
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Curvas Esfuerzo Cortante Cíclico vs Distorsión Angular, determinadas en la Cámara Triaxial Cíclica Torsionante
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Otro gran campo de interés dentro de los problemas geotécnicos que inciden en la Protección Civil, y que por ende es motivo de estudio dentro de la Subdirección, es el relativo al deslizamiento de laderas, tanto en ambientes sísmicos, como ante la ocurrencia de lluvias intensas, principalmente. Tristes acontecimientos de deslizamientos masivos en otras partes del mundo, como los recientemente ocurridos en Filipinas o Guatemala, nos muestran la importancia que debe prestársele al estudio de estos desastres. Fenómenos de inestabilidad han sucedido en México disparados por huracanes o temporales lluviosos, como en la Sierra Norte de Puebla en 1999, que cobraron más de un centenar de vidas. Para cubrir las necesidades experimentales que este campo del conocimiento demanda, se cuenta con equipo triaxial estático que permite determinar la resistencia al esfuerzo cortante bajo deformación controlada. Adicionalmente, en el laboratorio se cuenta con equipo para realizar pruebas de consolidación bajo velocidad constante de deformación, así como los medios para la clasificación y la determinación de sus propiedades índices, que son punto de partida de su caracterización.
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Deslizamiento en la Col. Cumbres del Rubí, Tijuan, B. C., Enero de 2003
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Deslizamiento en la Col. La Aurora, Teziutlán, Puebla, Octubre de 1999
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Proyectos Desarrollados
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En el Laboratorio de Dinámica de Suelos del CENAPRED se han desarrollado proyectos de investigación orientados a mejorar el conocimiento sobre el comportamiento de los suelos, coadyuvando con ello al objetivo central de la Protección Civil, que es el de mitigar el efecto de los fenómenos naturales sobre las personas y sus bienes. Entre los proyectos más importantes que se han llevado a cabo en este laboratorio, se pueden citar los relacionados con:
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Elaboración de recomendaciones geotécnicas y geosísmicas, para su consideración en diversos reglamentos de construcción.
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Determinación de propiedades dinámicas de suelos para su uso en el análisis y diseño de cimentaciones de:
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Determinación de propiedades estáticas y dinámicas de suelos para el análisis de estabilidad de laderas y del comportamiento sísmico de cimentaciones; por ejemplo los deslizamientos ocurridos en Teziutlán, Pue., Tijuana B. C., Huixquilucan, Edo. de México, Tlapa, Gro., Nueva San Salvador, El Salvador, C. A., y los asociados a efectos sísmicos en la ciudad de México y en la ciudad de Bam en Irán, entre otras.
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Etapa II de la siderúrgica Lázaro Cárdenas Las Truchas, Mich.
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Línea 8-Sur del Metro de la ciudad de México.
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Puente Impulsora, Línea B del Metro de la ciudad de México, etc.
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Estudio acerca del efecto que tiene la saturación de los suelos sobre su resistencia, y su relación con los problemas de inestabilidad de laderas como las ocurridas en la Sierra Norte de Puebla.
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Instrumentación geotécnica e hidrológica de laderas, a fin de monitorear su comportamiento, como la recientemente colocada en Teziutlán, Pue.
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Análisis de la estabilidad de laderas, con el desarrollo de soluciones teórico-numéricas mediante el método generalizado de las dovelas.
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Estudios y análisis para determinar el potencial de licuación de suelos arenosos, en lugares tales como El Batán, Costa Rica, diversos sitios de la costa del Pacífico mexicano, e incluso en el Altiplano Central como el ubicado al sur del estado de Tlaxcala.
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Estudios y análisis de asentamientos y consolidación regional, fenómenos a los que está asociado el problema de agrietamiento del terreno, como el que con frecuencia sucede en ciudades y otras localidades del centro del país.
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Elaboración de publicaciones, así como actividades de docencia y difusión acerca de estos temas, y
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Participación en comités técnicos y científicos como la Estrategia Nacional para la Mitigación del Riesgo por Inestabilidad de Laderas y el Comité de Reconstrucción de las ciudades afectadas por el huracán Stan en 2005.
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Datos más importantes de los equipos dinámicos
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Cámara Triaxial de Columna Resonante
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- Determinación de propiedades dinámicas de los suelos en un rango de distorsiones de muy bajas a intermedias (0.0005% a 0.3%)
- Presión confinante máxima de 1 MPa.
- Confinamiento isotrópico o anisotrópico.
- Presión de poro máxima de 500 kPa.
- Carga vertical máxima de 2 kN.
- Deformación vertical máxima de 20 mm.
- Ensaye de muestras cilíndricas de suelo, ya sea macizas o huecas, de 70 ó 100 mm de diámetro exterior, 100 mm de altura y 20 mm de espesor de pared en las últimas.
- Cinco transductores para monitorear visualmente presión confinante, presión de poro, deformación volumétrica, carga vertical y deformación axial.
- Sistema de excitación electromagnética para los ensayes cíclicos dinámicos, con acción torsionante.
- Unidad de control y monitoreo de la frecuencia y la amplitud de la vibración que se impone a la muestra a través del sistema excitador.
- Osciloscopio para monitorear la respuesta de la muestra a la vibración.
- Oscilógrafo optoelectrónico que permite registrar en papel continuo sensible a los rayos ultravioleta, la etapa final de una vibración forzada y la atenuación amortiguada bajo vibración libre.
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Cámara Triaxial Cíclica Torsionante
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- Determinación de propiedades dinámicas de los suelos en un rango de distorsiones intermedias a muy altas (±0.02% a ±10%).
- Presión confinante máxima de 1 MPa.
- Confinamiento isotrópico o anisotrópico.
- Presión de poro máxima de 500 kPa.
- Carga vertical máxima de 2 kN.
- Deformación vertical máxima de 20 mm.
- Ensaye de muestras cilíndricas de suelo, ya sea macizas o huecas, de 70 ó 100 mm de diámetro exterior, 100 mm de altura y 20 mm de espesor de pared en las últimas.
- Siete transductores para monitorear visualmente presión confinante, presión de poro, deformación volumétrica, carga vertical, deformación axial, momento torsionante y deformación angular.
- Sistema electroneumático para la aplicación de momentos torsionantes cíclicos dinámicos, con frecuencias de 0.001 a 2 Hz.
- Sistema optoelectrónico que permite registrar en papel continuo sensible a los rayos ultravioleta, la variación con el tiempo del par torsionante, el giro y la presión de poro, durante las pruebas dinámicas.
- Sistema de adquisición de datos con control digital de las tres variables antes citadas, durante las pruebas dinámicas.
- Graficador x-y que despliega en tiempo real un registro gráfico del desplazamiento angular o giro (x) y el par torsionante (y).
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