Tlamati Sabiduría, Volumen 7 Número Especial 2 (2016)

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4° Encuentro de Jóvenes Investigadores – CONACYT 11° Coloquio de Jóvenes Talentos en la Investigación

Acapulco, Guerrero 22, 23 y 24 de septiembre 2016 Memorias

Propuesta metodológica para evaluar la rugosidad de una pieza de tabique

rojo recocido.

Andrea Karina Pacheco Feliciano (Becario) Universidad Autónoma de Guerrero

Facultad de Ingeniería Programa de Verano UAGro

andy_jaem@hotmail.com Área en la que participa: VII Ingenierías

Dr. Sulpicio Sánchez Tizapa (Asesor) Profesor-Investigador de la Universidad Autónoma de Guerrero

sstizapa@hotmail.com

Resumen

El presente trabajo muestra una metodología para evaluar la rugosidad de una pieza de tabique mediante el uso de fotogrametría. Su intención es evaluar la rugosidad de piezas de mampostería. Los materiales y programas (software) requeridos son accesibles y fáciles de usar. La obtención de resultados considera 3 fases del proceso: Toma de fotografías y calibración de la cámara, Digitalización de fotografías y Procesamiento de la información El trabajo surge por la necesidad de evaluar y mejorar el comportamiento de la mampostería, el material más utilizado en la edificación de viviendas, para disminuir el riesgo sísmico de la población guerrerense. El cálculo de la rugosidad con la propuesta aquí desarrollada será de mucha utilidad para las futuras investigaciones.

Palabras Clave: rugosidad, adherencia, fotogrametría, mampostería, software libre.

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Introducción

En la ciudad de Chilpancingo de los Bravos Guerrero, la mayor parte de las viviendas que existen están construidas a base de mampostería, un estudio realizado en la ciudad por la Facultad de Ingeniería (UAGro) reveló que el 85% es de mampostería (gráfica 1, Fig. 1), por tal razón es necesario estudiarla. Para las piezas de mampostería, un factor muy importante es conocer un valor adecuado de la resistencia de diseño a compresión diagonal en muretes (v*m), ya que es una característica que involucra la resistencia de la mampostería y que puede aumentar o bajar la calidad del material.

Además, el estado de Guerrero se encuentra situado en una alta zona sísmica, por lo que

es fundamental desarrollar investigaciones para evaluar la resistencia de las estructuras y puedan brindar mayor seguridad a la población, incluso sobre el transcurso de un sismo. La mampostería está conformada principalmente de dos componentes: mortero (arena, agua, cemento, cal) y piezas (tabicón, tabique, block, adobe, etc.). Los dos materiales deben trabajar juntos (en equipo), para que eso suceda, la pieza debe tener cierta rugosidad, y así lograr que el mortero se adhiera a la pieza para trabajar adecuadamente durante los sismos.

Cuando la pieza no tiene suficiente rugosidad es menos resistente a las fuerzas cortantes como se muestra a continuación, (Véase Fig.2), la pieza no sufre daños y se desprende fácil mente. Si la pieza cumple con los parámetros requeridos de rugosidad y adherencia, la mampostería es más resistente al efecto cortante y resultará dañada la pieza como se puede observar en la Fig. 3, donde se observa que trabajan en conjunto pieza y mortero.

85%

4% 4% 7% Mampostería

Concreto Reforzado

Adobe

Madera

Gráfica 1. Porcentajes obtenidos en dos manzanas de la ciudad. Fuente: Pacheco y García, (2016).

Fig.1 Fotografía de una manzana de la ciudad. Fuente: Pacheco y García, (2016).

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Por lo cual, determinar la rugosidad en una pieza de tabique rojo recocido es importante para saber la capacidad que tendrá cualquier edificación con este tipo de material y saber cómo reaccionarán las piezas si es que presentan o no adherencia.

Materiales y Métodos

A continuación se describirá el proceso utilizado en la investigación con el fin de encontrar la rugosidad de una pieza de tabique rojo recocido.

Toma de fotografías y calibración de la cámara.

Como primer paso se tomaron fotos a una cara del tabique rojo recocido, a la que se denominó cara superior, específicamente fueron 50 fotos, con 25 fotos por cada uno de los dos ángulos utilizados al enfocar un punto sobre el tabique. El proceso se repite con la cara inferior, la cantidad de fotos es arbitraria.

                                 

Fig. 2 Pruebas de adherencia a tabicón ligero. Fuente: Ramos y Sánchez (2016)

                         

Fig. 3 Prueba de adherencia en piezas rugosas con mayor adherencia entre pieza y mortero. Fuente: Ramos y Sánchez (2016)

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Para la toma de fotos se utilizó una cámara profesional de 21 megapíxeles, también un trípode para el sostenimiento de la misma y un plato giratorio en el que se colocaba la pieza para fotografiar los diferentes vértices de la pieza.

Una vez teniendo las fotografías, y antes de procesarlas, debe hacerse la calibración de la cámara, en este paso se genera una matriz, de la cual se utilizan sólo 5 valores para corregir las fotos (Fig. 4). La calibración se realizó en el programa Agisoft PhotoScan, versión de prueba. El programa fue creado en el 2006 y diseñado para el procesamiento de imágenes, utilizando las técnicas de fotogrametría digital y ajuste de la dirección para el desarrollo de herramientas aplicadas. Para realizar la calibración se tomaron 5 fotos a un tablero de ajedrez, mismo que el programa contiene, la cantidad de fotos puede ser entre 4 y 6, para posteriormente insertar dichas fotografías en el programa y mediante el botón de calíbrate se logra el objetivo, se genera un documento con formato xml (Véase Fig. 5), el cual contiene los parámetros antes mencionados y finalmente se guarda, cabe mencionar que la calibración solo se hace un vez.

Digitalización de fotografías

A continuación se insertan las fotos en el programa de Software libre denominado Visual Structure from Motion System (VSFM). Este es una aplicación de interfaz gráfica para la reconstrucción 3D usando la estructura de movimiento (SFM), el autor es Changchang (2006). El algoritmo explota el paralelismo de núcleos múltiples para la detección de una malla de puntos sobre el tabique. Adicionalmente para la reconstrucción del modelo, este programa integra la ejecución de cadena de herramientas desarrollada por Furukawa (2013).

Después de insertar las fotos en el VSFM y mediante el comando de fix calibration se insertan los datos de la calibración para realizar la reconstrucción 3D del tabique (Véase Figura 6) y se graba un archivo en formato mvs, el cual guarda una malla de puntos que replica la pieza

 

Fig. 4 Datos de calibración obtenidos en el programa. Fuente: Elaboración propia

 

Fig. 5. Datos obtenidos del formato xml. Fuente: Elaboración propia.  

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original. Debido a que la malla genera todo lo mostrado en las fotos, es necesario limpiar el modelo para dejar solo la cara frontal del tabique, para ello se utilizó el programa Meshlab.

MeshLab es un sistema de software libre, escrito en la Universidad de Pisa (2014), utilizado en el procesamiento y edición de mallas triangulares 3D no estructurados. Está destinado a ayudar a la transformación de los modelos típicos que surgen en la digitalización en 3D, proporciona un conjunto de herramientas para la edición, limpieza, inspección, representación y conversión de este tipo de mallas.

El programa Meshlab se manejó para insertar el archivo mvs generado en VSFM y limpiar el modelo, sin puntos externos a la cara en estudio, (Obsérvese la Fig. 7), posteriormente se guardó el archivo en formato .ply. Este modelo se abre en el programa CloudCompare (CC). CC es un software de uso libre para el procesamiento de nubes de puntos 3D y una malla triangular, Girardeau-Montaut (2003).

   

Fig. 6 Procedimiento para reconstruir la pieza de tabique en el programa de Visual SFM. Fuente: Elaboración propia.  

                       

Fig. 7. Representación del modelo 3D del tabique una vez generado y limpiado en el software de Meshlab. Fuente: Elaboración propia

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En CC se inserta el archivo de la malla en formato ply y se guardan todas las coordenadas de puntos en formato txt, posteriormente se abre el archivo en Excel y se guarda en formato Excel-97-2003. Además, se usó la herramienta de Mesh > Delaunay 2.5D (best fit plane) para observar la triangulación de la nube de puntos, la cual puede verse en la Fig. 8

Resultados

Al obtener todos los puntos de la nube de la pieza de tabique en un archivo de Excel se comienza con el proceso de la información en el programa libre Scilab. En Scilab se obtuvieron dos gráficas para cada cara (superior e inferior) del tabique, en las cuales se representa el número de clases y los valores con el número de frecuencia, de donde se obtiene el valor de la rugosidad. Esto se muestra en las gráfica 2, 3, 4 y 5, la rugosidad es el valor absoluto entre las clases inferiores y superiores del histograma, gráficas 3 y 5.

       

Gráfica 2. Representación de los valores de rugosidad de la cara superior frente al número de puntos. Fuente: Elaboración propia

 

Fig. 8 Triangulación en CloudCompare de la cara superior del tabique por medio de la herramienta de Mesh. Fuente: Elaboración propia

 

Gráfica 3. Histograma representativo para obtener el valor de la rugosidad en cara superior. Fuente: Elaboración propia

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Adicionalmente, con los datos del histograma, se hizo una tercera gráfica (Véase gráfica

No. 6) con la finalidad de ubicar la distancia entre el 95% y el 5% para obtener la rugosidad correspondiente al 90 % de los puntos, los resultados para cada cara del tabique son:

Para la Cara 1 o cara superior del tabique rojo recocido la rugosidad es de:  0.302 cm. Para la Cara 2 o cara inferior del tabique rojo recocido la rugosidad es de:  0.080 cm.

Este proyecto contempla el análisis de varias piezas. En la tabla 1, se muestran los

resultados de la rugosidad del tabique, del tabicón y adobe ecológico.

                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                           Gráfica 4. Representación de los valores de rugosidad de la cara inferior frente al número de puntos. Fuente: Elaboración propia.  

 

Gráfica 5. Histograma representativo para obtener el valor de la rugosidad en cara inferior. Fuente: Elaboración propia.

       

Gráfica No. 6. Comparación entre ambas caras del tabique mediante la representación de los porcentajes obtenidos. Fuente: Elaboración propia.

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Discusión y conclusiones

En la actualidad no existen trabajos de rugosidad orientados a las piezas de mampostería, existe para otros tipos de materiales como se muestra en las referencias. Se puede afirmar que es el primer trabajo de investigación desarrollada en la República Mexicana, la metodología propuesta es simple y utiliza recursos al alcance y sencillos de obtener.

En la siguiente fase del proyecto se analizarán los siguientes puntos en el CC:

• Explorar y estudiar la aplicación de la opción roughness en el programa de CloudCompare, ya que puede ser una forma rápida y adecuada para obtener los resultados de la rugosidad.

• Revisar más detalladamente la orientación del plano generado ya que afecta demasiado en la obtención de la rugosidad, puesto que si no se coloca normal a la pieza, altera significativamente los valores.

• Comparar valores de la aplicación de roughness y valores obtenidos dibujando la orientación del plano.

En la toma de fotografías deberá revisarse: a) la nivelación de la base, b) el zoom de la cámara para obtener la escala y no tener conflictos para la obtención de valores o resultados de las piezas. También debe considerarse la posibilidad de marcar puntos de referencia en la pieza de mampostería y así delimitar el área de la cara y en el programa sea visible para definir el plano de la pieza. Adicionalmente es necesario definir la cantidad mínima de fotografías y el número mínimo de posiciones de la cámara para obtener resultados confiables.

Tabla 1. Comparación de la rugosidad obtenida en diferentes tipos de piezas.

Tipo de pieza Cara Rugosidad

obtenida (cm)

Tabique Superior 0.302

Inferior 0.080

Tabicón ligero

(Gómez, 2016) Superior 0.45

Inferior 0.77

Tabicón

(Florentino, 2016)

Superior 0.101

Inferior 0.148

Adobe ecológico

( Mayo, 2016)

Superior 0.199

Inferior 0.144

Fuente: Elaboración propia

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Agradecimientos

A través de este verano de investigación, tuve la oportunidad de participar y conocer de cerca la investigación científica, así mismo la obtención de nuevos conocimientos que sin duda serán parte de mi formación académica, por lo que me permito dar las gracias:

Primeramente al programa Verano UAGro, por permitirme participar y ser parte de los

jóvenes investigadores del 4° encuentro que realiza el CONACYT en este año 2016. Así mismo agradecer a la Universidad Autónoma de Guerrero por becarme y apoyarme en los trámites correspondientes para poder realizar mi estancia y sin duda alguna al investigador Dr. Sulpicio Sánchez Tizapa, por aceptarme en la realización de la investigación “Propuesta metodológica para evaluar la rugosidad en un tabique rojo recocido” que se llevó a cabo durante este periodo, y por haber mostrado el interés y la disponibilidad necesaria para obtener un trabajo adecuado.

Así también quiero agradecer a mis compañeros con los que estuve trabajando en este

periodo de estancia académica por haber puesto empeño e interés para que en conjunto lográramos culminar esta etapa de nuestra formación profesional.

Referencias

1. Agisoft LLC. (2010). Agisoft PhotoScan. 2016, de R&D, Agisoft LLC Sitio web: http://www.agisoft.com/

2. Changchang Wu. (Enero 2015). A Visual Structure from Motion System. Mayo 2015, de cartón (VR) Sitio web: http://ccwu.me/vsfm/vsfm.pd

3. Computing Lab Visual. (2 de abril 2014). MeshLab. Junio del 2014, de ISTI - CNR Sitio web: http://meshlab.sourceforge.net/

4. Eduardo N.B.S. Julio, Fernando A.B. Branco, Vítor D. Silva. (8 April 2004). Concrete-to-concrete bond strength. Influence of the roughness of the substrate surface. 17 June 2004, de ELSEVIER Sitio web: https://estudogeral.sib.uc.pt/bitstream/10316/3982/1/filec52d9cc690ec4977ad2b656895fb9e5c.pdf

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5. Florentino-Melchor A. (2016) Propuesta metodológica para evaluar la rugosidad de una pieza de tabicón pesado. 4° Encuentro de Jóvenes Investigadores – CONACYT. 11° Coloquio de Jóvenes Talentos en la Investigación.

6. Girardeau-Montaut.D. (Agosto del 2012). CloudCompare. Febrero del 2015, de Telecom ParisTech Sitio web: http://www.cloudcompare.org/

7. Gómez-Sánchez M.A. (2016) Propuesta metodológica para evaluar la rugosidad de una pieza de tabicón ligero. 4° Encuentro de Jóvenes Investigadores – CONACYT. 11° Coloquio de Jóvenes Talentos en la Investigación.

8. INRIA. (2 enero de 1994). Scilab. 2 enero de 1994, de INRIA Sitio web:

http://www.scilab.org/scilab/history

9. Mayo-Mendoza, M.A. (2016) Propuesta metodológica para evaluar la rugosidad de una pieza de adobe ecológico. 4° Encuentro de Jóvenes Investigadores – CONACYT. 11° Coloquio de Jóvenes Talentos en la Investigación.

10. Pacheco, A. y García A. (2016). Identificación de materiales utilizados en edificaciones en

la Ciudad de Chilpancingo. Facultad de Ingeniería (UAGro). Documento interno.

11. Pedro M.D. Santos, Eduardo N.B.S. Julio, Vítor D. Silva. (31 May 2006). Correlation between concrete-to-concrete bond strength and the roughness of the substrate surface. 25 September 2006, de ELSEVIER Sitio web: http://www.civil.ist.utl.pt/~cristina/RREst/Aulas_Apresentacoes/07_Bibliografia/betao%20novo%20(concrete%20overlay)/IJ_11.pdf

12. Ramos, M. y Sánchez, T. (2016). Reporte de pruebas de adherencia. Facultad de Ingeniería

(UAGro). Documento interno.