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1. Introducción
Ecuador se encuentra en el Cinturón de Fuego del Pacífico, esto implica que se tiene una alta sismicidad [1]. En consecuencia, las cátedras relacionadas a ingeniería Sísmica-Estructural son de gran importancia para la formación adecuada de ingenieros Civiles del país y de la región [2]. Los contenidos de estas materias permiten caracterizar la amenaza sísmica, entender la propagación de las ondas sísmicas, calcular la respuesta dinámica de las estructuras y continuar con su diseño o reforzamiento. Además de ser fundamentales para proteger la integridad de las construcciones, salvaguardar vidas humanas y preservar la economía de la sociedad, en especial ante acciones sísmicas o exposición a cargas de viento, gravitacionales, excitaciones externas debido a vibraciones, entre otras. Aunque es evidente la importancia de estas materias, los estudiantes frecuentemente manifiestan dificultades para interpretar y comprender sus contenidos. Lo expuesto anteriormente, motiva la generación de herramientas computacionales para facilitar el proceso de enseñanza-aprendizaje mediante entornos visuales con aplicaciones reales, por ejemplo, los trabajos de [3-6].
La creación de este tipo de trabajos se hace considerando que el desarrollo y la utilización de herramientas computacionales, que permitan simular diversas condiciones de carga y obtener respuestas para diseño, impactará en el desarrollo de la ingeniería [7]. En virtud de ello, se desarrolló un Sistema de Computación denominado "CEINCI LAB", con sus inicios en el año 1993 por el Dr. Roberto Aguiar. Las funciones y programas se han incrementado, validado y mejorado con el paso del tiempo, siendo en la actualidad un Sistema de Computación utilizado en los cursos de pregrado y posgrado en Universidades de Ecuador y Latinoamérica, además de ser una herramienta utilizada en casos de diseño y consultoría. La programación inicial se desarrolló en Fortran [8], posteriormente se implementa codificación en Visual Basic [9] para generar una interfaz gráfica y en la actualidad se ejecutan mediante MatLab [10] u Octave [11].
CEINCI LAB corresponde a un grupo de funciones y programas que permiten ejecutar análisis estático y dinámico de estructuras, generación y escalamiento de espectros, tratamiento de señales, diseño de pórticos de acero con y sin diagonales concéntricas o excéntricas, inclusión de sistemas de disipación de energía y aislamiento sísmico, además de otros cálculos de ingeniería Sísmica-Estructural.
En este ámbito, es importante introducir conceptos de ingeniería Sísmica-Estructural en las carreras de arquitectura, que proporcionen una perspectiva cualitativa y permitan entender el comportamiento sismorresistente desde la concepción de proyectos [12]. Por esta razón, trabajos futuros contemplan la generación de interfaces gráficas para facilitar su posible implementación en arquitectura y carreras de tecnología en construcción o afines.
Este artículo se compone de seis secciones: la primera hace referencia a la introducción del tema, la segunda trata sobre la evolución de las funciones de CEINCI LAB, la tercera esboza su implementación en las aulas, la cuarta expone el impacto en los estudiantes, en la sección cinco se muestra el Blog de CEINCI LAB, en la sección seis se comparte su utilización en consultorias; y por último se muestran las conclusiones, en las cuales se aprecia el aporte significativo del Sistema de Computación CEINCI LAB a los estudiantes de Ingeniería Civil, a las investigaciones y consultorías, a más de la contribución e impacto social positivo generado.
2. Evolución de las funciones de CEINCI LAB
Desde 1993 el Dr. Roberto Aguiar inició la generación de programas computacionales en el Centro de Investigaciones Científicas, CEINCI, de la Escuela Politécnica del Ejército ESPE [13]. Ese mismo año, el Sistema de Computación "CEINCI LAB" fue desarrollado, como una herramienta académica para la enseñanza de Ingeniería Sísmica-Estructural, denominándose programas CEINCI1, CEINCI2 y CEINCI3. Estos programas sirven para el análisis sísmico de pórticos planos y estructuras espaciales como se expone en [14-17].
La programación inicial se desarrolló en Fortran, no obstante, con la colaboración de Carlos Santander se implementó una interfaz en Visual Basic, consiguiendo una presentación de resultados más sencilla de entender, como se ilustra en la Fig. 1.
Algunas de las funciones de CEINCI LAB se han desarrollado para análisis estructural de elementos sencillos como una viga continua [18], otros más complejos como puentes [19-21], presas [22-25], edificaciones con sistema de aislamiento sísmico [26-33], inclusión de disipadores de energía [34-41], entre otras aplicaciones [42,43]. En la Fig. 2 se presenta algunas de las estructuras modeladas.
También se desarrollaron funciones para ejecutar análisis no lineal de estructuras mediante el modelo de plasticidad concentrada de Giberson, como se muestra en la Fig. 3 y se documenta en [44,45].
Para modelar estructuras de pórticos, asociadas a edificaciones regulares, se debía ingresar las coordenadas de los nudos X, Y, además indicar la conectividad de elemento mediante el nudo inicial y final NI, NJ respectivamente. No obstante, en el año 2019, se incorporaron funciones que permiten un ingreso de datos más sencillos, minimizando el tiempo de modelación y dando paso a que los estudiantes concentren su atención en los procedimientos, métodos de análisis y resultados. Estas nuevas funciones consideraron la inclusión de vectores sv y sp que contienen la longitud de vanos y la altura de cada entrepiso del pórtico. Posteriormente rutinas convierten estos datos en las coordenadas X, Y y los nudos inicial y final de cada elemento como se ilustra en [46]. A partir de estas funciones se realizaron nuevas contribuciones para facilitar la modelación de pórticos con diagonales [47], con disipadores de energía [48], estructuras tridimensionales [49], e incluso se consideran rutinas para estructuras irregulares [50,51], como se presenta en la Fig. 4.
En el año 2020, se generaron funciones para ejecutar modelos de análisis no lineal con OpenSees [52-53]. En estos modelos el ingreso de datos se lo realiza empleando las funciones de CEINCI LAB, el análisis se lo efectúa en OpenSees y los resultados se presentan de manera gráfica con otras funciones de CEINCI LAB. En la Fig. 5 se presenta la discretización de los elementos para el análisis no lineal en OpenSees considerando plasticidad concentrada.
Posteriormente, se han desarrollado funciones para el análisis y diseño de pórticos de acero con y sin diagonales, tanto concéntricas como excéntricas. Estas funciones permiten obtener las relaciones demanda versus capacidad de los elementos de forma visual como se presenta en la Fig. 6 y se detalla en los trabajos [54-56].
El número de funciones aumentan constantemente, al igual que las aplicaciones a la ingeniería sísmica-estructural, por ejemplo, las funciones para análisis de estructuras con cartelas de hormigón armado [57-59]. Actualmente están desarrollándose funciones para análisis de cerchas metálicas como se presenta en la Fig. 7.
Existen varias funciones y aplicaciones de dinámica de estructuras e ingeniería sísmica que no se detallan en este artículo. No obstante, el lector puede encontrar esta información en el sitio de RearchGate del primer autor [60].
3. Implementación de CEINCI LAB en las aulas
El Sistema de Computación CEINCI LAB se ha implementado en clases de pregrado y postgrado de Ingeniería Civil, en las cátedras correspondientes a la especialización Sísmica-Estructural, en especial en materias como Análisis Matricial, Dinámica, Peligro Sísmico y Diseño Sismorresistente.
En estas clases se presenta la teoría, la cual es acompañada de las aplicaciones en el Sistema de Computación CEINCI LAB, estas explicaciones detallan el código de programación, además se motiva a la generación de nuevas funciones con soluciones más eficientes a los problemas planteados, como se muestra en la Fig. 8.
En la actualidad, el cambio de modalidad de enseñanza debido a la pandemia del COVID19, ha fortalecido el uso de CEINCI LAB para la resolución de problemas de sísmica y estructuras en clases, como se visualiza en la Fig. 9. Además, para la difusión del trabajo con CEINCI LAB se ha creado un Blog que contiene videos de clases que se imparten, permitiendo el refuerzo del conocimiento y pone al alcance de estudiantes y profesionales cursos completos de análisis de estructuras (ver sección 5).
Entre las universidades ecuatorianas donde se ha utilizado este sistema de computación para clases se puede destacar: Universidad de las Fuerzas Armadas, Escuela Politécnica Nacional, Universidad Central del Ecuador, Universidad Laica Eloy Alfaro, Universidad Técnica de Manabí, Universidad de Guayaquil, Universidad Técnica de Ambato; además, en universidades de Latinoamérica como: Universidad Francisco Javier de Chuquisaca en Bolivia, Universidad Tecnológica Nacional en Mendoza, Argentina, Universidad Católica Madre y Maestra de Santiago en República Dominicana, Universidad Nacional de Ingeniería en coordinación con DISEPRO en Perú, Universidad Politécnica de Cataluña en Barcelona España.
4. Impacto en los estudiantes
Al emplear el Sistema Computacional CEINCI-LAB para la enseñanza de Ingeniería Sísmica-Estructural se puede evidenciar mayor participación de los estudiantes en clases, mayor interés por conocer los procedimientos de cálculo de estructuras cada vez más complejas y un desarrollo extraordinario en cuanto a las habilidades de programación.
Es importante mencionar que el Sistema de Computación ha contado con aportes de funciones generadas por estudiantes, esto se ha complementado con la publicación de artículos científicos, libros, monografías, presentaciones en congresos y elaboración de tesis (ver sección 2).
Una evidencia del impacto de esta metodología de enseñanza, es que en el año 2022 se desarrolló un Congreso Virtual de Estructuras, organizado por CEINCI LAB [61], en el cual los ponentes fueron estudiantes de la Universidad de las Fuerzas Armadas ESPE. Se presentaron alrededor de 30 conferencias con temas avanzados de ingeniería, entre ellos topología estructural, celosías, vulnerabilidad, vigas con cartelas, estructuras con diagonales de acero y análisis no lineal. En este congreso se evidenció el nivel de conocimiento de los estudiantes y su contribución a la generación de nuevas funciones de CEINCI LAB, como se expone en la Fig. 10.
Un gran número de estudiantes de las cátedras del Dr. Roberto Aguiar, han desarrollado maestrías y doctorados, permitiéndoles ser docentes universitarios en la actualidad. Estos nuevos profesores continúan utilizando el Sistemas de Computación CEINCI LAB como una herramienta para la enseñanza de Ingeniería Sísmica-Estructural.
5. Blog de CEINCI LAB
Debido a la pandemia, en el año 2020 y considerando los cambios en las metodologías de enseñanza, se inició el Blog de CEINCI LAB. En este sitio web se almacenan funciones, investigaciones, videos y cursos. Además de la recopilación de los videos del Ciclo de Conferencias "El conocimiento no se Detiene Dr. Roberto Aguiar Falconí" [62].
La dirección electrónica del Blog de CEINCI LAB se encuentra en [63]. El diseño de la web mantiene una organización con etiquetas en el menú superior. La página principal incluye los perfiles de los colaboradores, posteriormente se tiene las secciones de investigación, funciones de CEINCI LAB, docencia, consultorías, cursos, conferencias, boletín informativo y la información de contacto de los desarrolladores y colaboradores. En la sección de Funciones de CEINCI LAB se puede descargar los programas para cada análisis dando clic en la imagen que corresponda. En la Fig. 11 se presenta los módulos de CEINCI LAB disponibles para descarga de forma gratuita.
Fuente: Los autores.
Figura 11 Contenido de la sección de Funciones de CIENCI LAB en el sitio oficial.
Desde el inicio del Blog de CEINCI LAB se percibió un gran interés por parte de los estudiantes, docentes e investigadores de ingeniería civil en Ecuador (80% de las visitas), la región Latinoamericana y el mundo en general como se ilustra en la Fig. 12.
Las visitas de los usuarios al Blog motivaron la generación de un canal de YouTube [64] y una página de Facebook [65]. Esto permite emitir comunicados sobre cursos, conferencias, congresos y nuevas publicaciones relacionadas al sistema de Computación CEINCI LAB, como se muestra en la Fig. 13.
6. Aplicación de CEINCI LAB en consultorías
Existen múltiples proyectos reales en los cuales se ha utilizado las funciones de CEINCI LAB como una herramienta de cálculo. A continuación, se presentan algunos casos de aplicación importantes para el desarrollo del Ecuador y la región.
6.1 Estudios de peligrosidad sísmica
De los trabajos relacionados con la Peligrosidad Sísmica se puede destacar: La microzonificación sísmica de Quito [66,67], microzonificación sísmica de Ambato [68,69], la determinación de espectros para el diseño del Hospital de Quinindé [70], la zonificación sísmica en países bolivarianos [71], además de consultorías de peligrosidad sísmica para el diseño del Puente Los Caras en Manabí, Presas y Diques del proyecto Daule-Peripa y Baba, Puente Las Golondrinas en Esmeraldas, entre otros. En la Fig. 14 se muestra espectros generados mediante CEINCI LAB.
6.2 Diseño estructural
Múltiples estructuras se han diseñado con funciones de CEINCI LAB, entre ellas se tiene estructuras con aisladores sísmicos como el Hospital de Quinindé [72], Edificio de Investigación de la Universidad de las Fuerzas Armadas ESPE [73], este último se presenta en la Fig. 15.
6.3 Reforzamiento de estructuras
Debido al sismo de 2016 en Ecuador se evidenció la necesidad de realizar evaluaciones y reforzamientos de estructuras, los análisis de algunas estructuras se desarrollaron empleando CEINCI LAB, entre ellos se puede referenciar a los trabajos de [74-80].
7. Conclusiones
El Sistema de Computación "CEINCI LAB" ha evolucionado significativamente desde el desarrollo de sus primeras funciones en el año 1993, tanto en el ingreso de datos como en la visualización de resultados. Estos cambios permiten una fácil aplicación por parte de los estudiantes, investigadores y docentes.
La implementación de esta herramienta académica en clases permite la motivación y mejora la participación de los estudiantes, involucrándolos en un proceso para desarrollar nuevas funciones a partir de los conceptos estudiados. Asimismo, se fomenta un desarrollo de competencias y destrezas específicas y genéricas de los estudiantes.
Generar programas y nuevas funciones requieren del conocimiento y dominio de la teoría, además permite desarrollar habilidades de programación esenciales en la formación de futuros ingenieros.
Para utilizar las funciones de CEINCI LAB se requiere únicamente un computador personal, su ejecución se lo puede realizar mediante MatLab u Octave.
Las funciones generadas permiten una mayor libertad y transparencia durante la realización de cálculos. El usuario puede adaptar y mejorar el código base en función de sus necesidades particulares, lo que no es posible en programas comerciales.
Actualmente se dispone de un gran número de funciones, revisadas y validadas, que permiten realizar cálculos de ingeniería Sísmica-Estructural. Se ha utilizado este Sistema de Computación de manera exitosa en consultorías de importancia para el desarrollo del país. Por lo anteriormente expuesto, en clases se motiva a los estudiantes en su utilización vinculando los conceptos teóricos con casos reales.
El interés en las funciones de CEINCI LAB y su utilización para la práctica profesional se hace evidente mediante correos electrónicos y mensajes de profesionales que solicitan información al respecto y los enlaces de descarga a través de las redes sociales del Sistema Computacional.
