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    Excel Aplicado a Ingeniera Civil como Herramienta Computacional

    Sandra E. Tipantaxi S.Facultad de Ingeniera Civil

    Universidad Tcnica de AmbatoAvenida de los Chasquis y Ro Payamino

    AmbatoEcuadorEmail: [email protected]

    RESUMEN

    El presente trabajo recopila informacin, modo de uso y referencias especiales de varios programasrealizados en Microsoft Excel. Los mismos que se agrupan en tres archivos definidos, de acuerdo a las

    diferentes ramas de la Ingeniera Civil; estructuras, vas e hidrulica. Se detallan los datos de entrada y losresultados que proporcionan cada uno de los programas, as como tambin las formulas y los cdigos en loscuales se basa el clculo de cada uno de ellos. En resumen el archivo relacionado a estructuras contiene predimensionamiento de losas, columnas y vigas, diseo de cimentaciones y clculo de fuerzas ssmicas; laparte hidrulica engloba el clculo de redes de alcantarillado, redes de agua potable y dotacin futura deagua; y por ltimo la seccin vas abarca lo que es nmero estructural de pavimentos flexibles y rgidos.

    Palabras clave: Excel, herramienta computacional, Estructuras, Hidrulica, Vas

    ABSTRACT

    This paper gathers information, and special usage mode references several programs in Microsoft Excel.They are grouped into three distinct files, according to the different branches of Civil Engineering;structures, roads and hydro. Input data and results that provide each of the programs as well as formulas andcodes in which the calculation of each is based are described. In summary, the structures related to the pre-dimensioning file contains slabs, columns and beams, foundation design and calculation of seismic forces;hydraulics calculation includes sewage networks, water networks and future allocations; and last sectioncovers the way that is structurally number of flexible and rigid pavements.

    Keywords: Excel, computational tool, Structures, Hydraulics, Highways

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    1. INTRODUCCINDesde siempre la Ingeniera Civil se complementa con la utilizacin de software o programas que nospermiten disminuir el tiempoen el clculo de obras civiles. Estas herramientas facilitan en gran medida eldesarrollo de la Ingeniera.

    Los software y programas constituyen para los ingenieros civiles una herramienta muy funcional, puesto queen todas las reas o campos de dicha ciencia se pueden utilizar con una cantidad de ventajas y bondadesextraordinarias, ya que desde su intromisin en la ingeniera no se han dejado de utilizar [Angarita Joham,2010].

    El uso de un software que simplifique el clculo permita la elaboracin de cuadros estadsticos, planillas ytablas es esencial para el ingeniero civil. Los profesionales de esta rea vienen usando desde hace muchotiempo programas que contribuyen con este trabajo y han ido evolucionando hasta llegar al que hoyconocemos como Microsoft Excel, que en la actualidad es el principal apoyo en esta rea.

    [Quezada L, 2009] Microsoft Office Excel es la hoja de clculo lder en el mercado. Es adems, el softwarems potente, ms flexible y ms utilizado del mundo. Ningn otro programa puede competir con l en cuantoa funciones o flexibilidad. Su mbito de aplicabilidad va de la economa a la sicologa, de la biologa aldibujo, de las matemticas aplicadas a la administracin de los recursos humanos.

    Se puedendesarrollar programas en Excel aplicados a la Ingeniera Civil que estn orientadas a varias reastales como estructuras, vas, hidrulica, control de obras, entre otras.

    2. PROGRAMACIN EN EXCELEn el presente trabajo se recopila informacin sobre los programasdesarrollados en Excel, los mismos queestn agrupados en las distintas ramas de la Ingeniera Civil: Estructuras, Hidrulica y Vas, y que seadjuntan al mismo.

    A continuacin se presentan aspectos de dichos programas, que en resumen permiten el clculo deelementos estructurales, sistemas hidrulicos y diseo de pavimentos.

    Cabe resaltar que todos los programas tienen una definicin de colores especficos que direccionan las celdasdestinadas al ingreso de datos y las que muestran los resultados que se estn buscando. Esta definicin de

    colores muestra al inicio de cada hoja.

    Programas para EstructurasEn este archivo Excel, ESTRUCTURAS.xls, se recopilan programas para el pre diseo de columnas,vigas y losas, clculo de fuerzas ssmicas y cimentacin sometidas a flexo compresin biaxial.

    2..1. Predimensionamiento de losasPara el prediseo de losas se utiliza la hoja Predimensionamiento de losas en la cualse utiliza como base elcdigo ACI 318-08. Del cual se han obtenido las frmulas para el clculo y dems referencias para la

    elaboracin del programa.

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    Figura 1.- Programa realizado en Microsoft Excel para el Predimensionamiento de Losas

    Este programa permite el clculo del espesor de la losa mediante el ingreso de los siguientes datos: f`c, fy,dimensiones del tablero, recubrimiento mnimo, peso muerto de la losa, peso de las paredes (P), carga vivay el momento ultimo aplicado.

    Como resultados arroja tres opciones de espesor (h), ya que utiliza dos frmulas obtenidas del cdigo y unaecuacin emprica.

    (1)

    Adems nos entrega el chequeo a corte y a flexin para comprobar que el peralte efectivo ha sido calculadocorrectamente, para lo cual se utilizaron las siguientes formulas:

    (2) (3)

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    2..2. Predimensionamiento de columnas

    Para el prediseo de columnas se utiliza la hoja Predimensionamiento de columnas, que tiene como baseel cdigo ACI 318-08. Del cual se han obtenido las frmulas para el clculo y dems referencias para laelaboracin del programa.

    Figura 2.- Programa realizado en Microsoft Excel para el Predimensionamiento de Columnas

    Este programa permite realizar el predimensionamiento de columnas mediante el ingreso de los siguientesdatos: f`c, fy, importancia con respecto al momento, el recubrimiento y las cargas a las que est sometido elelemento.

    La hoja permite decidir la forma de la columna teniendo en cuenta que el cdigo nos da como base que el

    rea no debe ser menor a 900 cm2.

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    Para el clculo de utilizaron las siguientes frmulas:

    2..3. Predimensionamiento de vigasEn el prediseo de vigas se ha tomado como referencia el cdigo ACI 318-08 y se utiliza la hojaPredimensionamiento de vigas. Del cual se han obtenido las frmulas para el clculo y elaboracin delprograma.

    Figura 3.- Programa realizado en Microsoft Excel para el Predimensionamiento de Vigas

    Este programa permite realizar el predimensionamiento de columnas mediante el ingreso de los siguientesdatos: f`c, fy, el recubrimiento y las cargas a las que est sometido el elemento.

    La hoja permite decidir la forma de la viga asumiendo un ancho de compresin inicial, sobre el cual secalculo el peralte y la altura de la viga, teniendo en cuenta se deber asumir una seccin tal que la condicinespecificada cumpla el requisito.

    Para el clculo de utilizaron las siguientes frmulas:

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    2..4. Clculo de fuerzas ssmicasEl clculo de fuerzas ssmicas se encuentra en la hoja Clculo de fuerzas ssmicas y se ha realizadotomando en consideracin el mtodo expuesto en el Cdigo Ecuatoriano de la Construccin (CEC2 2002).

    Figura 4.- Programa realizado en Microsoft Excel para el Clculo de Fuerzas smicas

    En primer lugar se calcula la fuerza ssmica total, expresada como esfuerzo de corte total en la base del

    edificio, y tomando en consideracin todos los factores de acuerdo a la zona ssmica, funcionalidadestructural, importancia, el tipo de suelo de fundacin. Estas caractersticas estn contenidas y detalladas enla hoja auxiliar TABLAS.

    La hoja calcula el cortante basal total de diseo, muestra el grafico del espectro de respuesta y permiteadems distribuir el cortante en todos los niveles del edificio.

    Para el clculo de utilizaron las siguientes frmulas:

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    2..5. Clculo de cimentaciones sometidas a flexo compresin biaxialEl clculo de cimentaciones sometidas a flexocompresin biaxial se la ha realizado tomando en cuenta quees una cimentacin en hormign armado y por lo tanto es necesario el diseo tanto geomtrico comoestructural de la zapata. La hoja que utilizaremos es Zapata flexocompresinbiaxial.

    Figura 5.- Programa realizado en Microsoft Excel para el Clculo de Cimentaciones

    Para que el programa arroje los resultados deseados es necesaria la entrada de datos bsicos como lascaractersticas de los materiales, momentos y cargas a las que est sometida la cimentacin, las dimensionesde la columna, las propiedades del suelo de fundacin, y dems factores necesarios para el diseo.

    Entre los resultados que muestra el programa estn las dimensiones tanto en planta como en elevacin de lazapata, as como el armado final de los hierros, esto m mediante el ingreso de los datos de dimetro ynumero de barras a utilizar. Adems cuenta con los chequeos respectivos a corte, flexin y punzonamiento.

    Para el clculo de utilizaron las siguientes frmulas:

    ( )

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    Programas para HidrulicaEn este archivo Excel, HIDRAULICA.xls se recopilan programas para el diseo de redes de agua potable

    y alcantarillado, adems de la dotacin futura de agua potable para una poblacin.

    Las hojas que contiene en clculo de las redes estn compilados en tablas de clculo que facilitan larecopilacin de datos y resultados de una manera ms ordenada y sistemtica. De la misma forma, la hoja declculo de la dotacin futura est organizada en varios cuadros.

    2..1. Calculo de una red de distribucin de agua potableLa hoja RED DE AGUA POTABLE, est diseada para realizar el diseo y dimensionamiento de una redde agua potable. Esta hoja electrnica proporciona resultados en lo que se refiere a dimetros de tuberas,prdidas de carga, presiones y velocidades en la red.

    Para esto es necesario el ingreso de datos bsicos como el caudal de diseo, cotas terreno, tanto superiorcomo inferior.

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    Figura 6.- Automatizacin en Excel del Clculo de una Red de Distribucin de Agua Potable

    Los clculos se los realizaron en base a las siguientes formulas generales:

    2..2. Calculo de una red de distribucin de alcantarillado sanitarioLa hoja RED DE ALCANTARILLADO, est diseada para realizar el diseo y dimensionamiento de unared de alcantarillado. Esta hoja electrnica proporciona resultados en lo que se refiere a dimetros detuberas, caudales de diseo total, caudales y velocidades a tubo lleno, numero de Froude, cota clave, cotabatea, cota energa y la profundidad a clave.

    Para esto es necesario el ingreso de datos bsicos como el caudal de diseo, cotas terreno, poblacin dediseo, consumo de agua, rea de proyecto, coeficientes.

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    Figura 7.- Automatizacin en Excel del Clculo de una Red de Alcantarillado Sanitario

    Los clculos se los realizaron en base a las siguientes formulas generales:

    2..3. Calculo de dotacin futura de agua potable de una poblacinLa hoja DOTACIN FUTURA, rene el clculo no solo de la dotacin futura, sino adems la estimacinde la poblacin futura mediante los tres mtodos conocidos para este fin, mtodo lineal, gorme tico yexponencial y por ultimo tambin se aade el clculo de densidades poblacionales y caudales de diseo.

    Para esto es necesario el ingreso de datos referentes al periodo de diseo, rea demogrfica, rea delproyecto, dotacin actual de agua, datos censales de la poblacin, los mismos que deben ser obtenidos delInstituto Ecuatoriano de Estadsticas y Censos (INEC).

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    Figura 8.- Automatizacin en Excel del Clculo de la dotacin Futura de Agua Potable

    Los clculos se los realizaron en base a las siguientes formulas:

    Dotacin futura de acuerdo al tipo de ciudad: consolidada o no consolidada, pero orientadas al territoriourbano.

    Poblacin futura de acuerdo a los tres mtodos

    Lineal

    Geomtrico

    [

    ]

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    Exponencial

    Densidad poblacional

    Caudales de diseo Programas para VasEn esta hoja electrnica VIAS.xls se encuentra el diseo tanto de pavimentos flexibles como depavimentos rgidos, los dos diseos basados en las normas AASHTO.

    En las dos hojas se muestra paso a paso y detalladamente cmo se obtiene los datos necesarios para elclculo del pavimento. Apoyndose en monogramas y tablas que representan las caractersticas de losmateriales y superficies que vayan a formar parte de la estructura del pavimento.

    2..1. Calculo del Numero estructural de pavimento flexible

    Esta hoja llamada SN PAVIMENTO FLEXIBLE, est diseada para el clculo del nmero estructural delpavimento flexible. Adems se proporciona el diseo de la estructura del mismo, es decir los espesores decada capa, desde la sub base hasta la carpeta asfltica. El clculo se basa en la Ecuacin AASHO 93.

    Para ello es necesario ingresar el CBR de la base, sub base y subrasante y adems el numero de ejesequivalentes calculados. Los resultados se apoyan en varias tablas y monogramas que estn ligados mediantehipervnculos que nos direccionan hacia estas herramientas, lo cual facilita la determinacin de lascaractersticas que buscamos en el pavimento a disear.

    El nmero estructural finalmente se obtiene al ingresar valores hasta logar la igualdad entre N18 NOMINALy N18CALCULO. Y los espesores se ingresan hasta lograr dimensiones apropiadas que satisfagan lasnecesidades tanto estructurales como econmicas.

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    Figura 9.- Clculo del Numero Estructural del Pavimento Flexible

    Figura 10.- Seccin de tablas y monogramas

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    A continuacin se presenta la ecuacin utilizada.

    Ecuacin AASHTO 93

    2..2. Calculo del espesor de pavimento rgidoEsta hoja llamada PAVIMENTO RGIDO, permite el diseo de un pavimento rgido, para soportar lademanda de vehculos y las condiciones de drenaje especificadas. El clculo se basa en la EcuacinAASHO 93.

    Para ello es necesario ingresar el CBR de la base y subrasante y adems el nmero de ejes equivalentescalculados. Los resultados se apoyan en varias tablas y monogramas que estn ligados mediante

    hipervnculos que nos direccionan hacia estas herramientas, lo cual facilita la determinacin de lascaractersticas que buscamos en el pavimento a disear.

    El espesor finalmente se obtiene al ingresar valores de D en pulgadas hasta que los valores adjuntos seigualen. Adems el programa permite determinar la distancia entre juntas transversales y pasadores, as comolas caractersticas de estos ltimos.

    Figura 11.- Clculo del espesor del Pavimento Rgido

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    Figura 12.- Seccin de tablas y monogramas

    A continuacin se presenta la ecuacin utilizada.

    Ecuacin AASHTO 93

    [ ]

    3. CONCLUSIONES Excel como herramienta computacional aplicada a Ingeniera Civil es de gran ayuda y proporciona

    un gran soporte al profesional de esta rea ya que permite simplificar clculos que resultaranextensos, realizarlos manualmente.

    Al automatizar procesos ingenieriles en esta plataforma de clculo se reduce en tiempo y errores losclculos estructurales, hidrulicos, viales, control de obras entre otras, al poseer la capacidad detrabajar con cuadros y grficos dinmicos.

    Para que esta herramienta funcione adecuadamente en beneficio del .ingeniero civil se necesita unconocimiento bsico sobre esta hoja electrnica y acerca de las bondades que ofrece. Y son diversaslas ventajas que brinda al usuario, por lo que se ha convertido en una parte fundamental para laIngeniera y los procesos que esta engloba.

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    4. BIBLIOGRAFAAngarita Guerrero, Joham (2010)

    La Funcionalidad del Lenguaje de Programacin dentro de la Ingeniera Civil

    URL:https://www.academia.edu/4479641/Papel_de_la_informatica_en_la_ingenieria_civil

    Quezada, L (2009, Febrero 03)La importancia de Excel en el mundo

    URL:http://lqrexceltotal.blogspot.com/2009/02/la-importancia-de-excel-en-el-mundo.html

    Justiniano Leiguez , Jos Erik 2008Manual de Excel Avanzado con aplicaciones a Ingeniera Civil Santa Cruz, Bolivia

    https://www.academia.edu/4479641/Papel_de_la_informatica_en_la_ingenieria_civilhttp://lqrexceltotal.blogspot.com/2009/02/la-importancia-de-excel-en-el-mundo.htmlhttp://lqrexceltotal.blogspot.com/2009/02/la-importancia-de-excel-en-el-mundo.htmlhttps://www.academia.edu/4479641/Papel_de_la_informatica_en_la_ingenieria_civil