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DESARROLLO DE UNA APLICACIN PARA SIMULAR EL COMPORTAMIENTO DINAMICO DE ESTRUCTURAS CON SISTEMAS DE

CONTROL DE VIBRACIONES.

ALEXANDER SOLARTE BENAVIDES

ESTUDIANTE DE INGENIERA CIVIL

UNIVERSIDAD DEL VALLE

FACULTAD DE INGENIERA

ESCUELA DE INGENIERA CIVIL Y GEOMTICA

SANTIAGO DE CALI, 15 DE AGOSTO DE 2012

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DESARROLLO DE UNA APLICACIN PARA SIMULAR EL COMPORTAMIENTO DINAMICO DE ESTRUCTURAS CON SISTEMAS DE

CONTROL DE VIBRACIONES.

ALEXANDER SOLARTE BENAVIDES

Anteproyecto de Tesis de Grado presentado como requisito parcial para optar al ttulo de Ingeniero Civil

DANIEL GOMEZ

DIRECTOR DE LA INVESTIGACIN

UNIVERSIDAD DEL VALLE

FACULTAD DE INGENIERA

ESCUELA DE INGENIERA CIVIL Y GEOMTICA

SANTIAGO DE CALI, 15 DE AGOSTO DE 2012

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FICHA DEL PROYECTO Nota de Aceptacin

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PETER THOMSON. Ph. D.

Director

Nota de Aceptacin

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DANIEL GOMEZ PIZANO Mg.

Codirector

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ALEXANDER SOLARTE.

Estudiante

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TTULO: Desarrollo de una aplicacin para simular el comportamiento Dinmico de Estructuras con Sistemas de Control de Vibraciones.

FACULTAD: Facultad de Ingeniera UNIDAD ACADMICA: Ingeniera Civil ESTUDIANTE: Alexander Solarte Benavides DIRECTOR: Daniel Gmez GRUPO DE INVESTIGACIN: Grupo de Investigacin en Ingeniera Ssmica, Ingeniera Elica y Estructuras Inteligentes (G-7) LNEA DE INVESTIGACIN: Dinmica Estructural PALABRAS CLAVE: Dinmica de Estructuras, Sistemas de Control de Vibraciones. DURACIN: 9 meses FUENTE DE FINANCIACIN: Universidad del Valle Ministerio de Educacin

Nacional de Colombia.

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RESUMEN

En el presente trabajo, se plantea el desarrollo de una aplicacin mediante la

utilizacin de las tecnologas de la informacin y la comunicacin, enfatizado en el

rea de Dinmica y Control Estructural el cual se presenta como una herramienta

para facilitar la apropiacin de los conocimientos necesarios para asimilar el

concepto del nuevo sistema de diseo de estructuras sismoresistentes mediante

sistemas de control de vibraciones; contribuyendo a la ingeniera civil, profesin

caracterizada por la gran responsabilidad social, que marca el progreso, desarrollo

y/o transformacin tcnico-econmica de la regin y del pas, para estar a la

vanguardia tecnolgica con respecto a los dems pases. El proyecto hace parte

de una convocatoria del ministerio de educacin Innovacin educativa con uso de

las tecnologas de la informacin y la comunicacin 2011-2012, enmarcado en el

proyecto de investigacin Desarrollo e implementacin de un Laboratorio Virtual

de Ingeniera Ssmica, desarrollado por el grupo de investigacin de Ingeniera

Ssmica, Elica, Geotcnica y Estructural, G-7.

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INTRODUCCION

En las ltimas dos dcadas se han evidenciado enormes progresos hacia la

fabricacin de monitoreo de dao estructural y controlar una tecnologa viable para

mejorar la funcionalidad estructural y la seguridad contra los riesgos naturales

tales como terremotos y vientos fuertes que causan vibraciones excesivas

generando daos graves en elementos estructurales y no estructurales, y prdida

de vidas humanas. Controlar la respuesta estructural ante cargas dinmicas (i.e.

cargas ssmicas y elicas) es y ha sido una necesidad para la seguridad de los

usuarios y de la edificacin. Actualmente, existen alternativas para disminuir la

vulnerabilidad estructural, aunque desafortunadamente algunas son poco

utilizadas en nuestro pas debido al desconocimiento que se tiene sobre la tcnica

o por los altos costos que genera su implementacin.

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1. PROBLEMA

1.1. Descripcin del Problema En la era actual, donde la tecnologa avanza a un ritmo desmedido y el acceso a la informacin se hace extraordinariamente fcil, son totalmente impredecibles los alcances a mediano y largo plazo de las distintas reas del conocimiento, poniendo as a la ciencia e ingeniera, en la necesidad de mantenerse a la vanguardia tecnolgica en todos aquellos tpicos concernientes a cada una respectivamente. En el caso de la ingeniera civil, en los ltimos aos, se han presentado grandes inversiones en el estudio de construcciones sismorresistentes, debido a las solicitaciones ssmicas que han generado grandes catstrofes, evidenciadas en perdidas de vidas humanas, daos materiales y prdidas en infraestructura (construccin y rehabilitacin de edificaciones). Gracias al avance en esta rama de la ingeniera civil, se ha desarrollado una opcin de diseo sismorresistente diferente a la tradicional y que actualmente constituye una opcin factible, es el Diseo Sismorresistente mediante Sistemas de Control de Vibraciones, que ltimamente ha sido implementada en pases desarrollados con actividad ssmica alta, como Estados Unidos y Japn. En caso de no actuar de manera oportuna, se puede quedar relegados en el camino del desarrollo tecnolgico en el campo mencionado, que no solo atrasa un rea del conocimiento sino a la regin y la nacin. El avance tcnico cientfico, ms que una dificultad, ofrece la oportunidad para continuar la bsqueda de alternativas de desarrollo, pues este es el tiempo apropiado de fortalecer la investigacin aprovechando que esta alternativa esta pasando por un proceso de acogida internacionalmente. Si se interviene correctamente ante esta situacin, se aumentan las posibilidades de estar (como pas, regin e institucin) a la vanguardia tecnolgica, abriendo las puertas a la oportunidad de un trabajo mutuo entre regiones e instituciones como universidades en el territorio nacional e internacional ganando experiencia, para concientizar y generar inters hacia esta nueva alternativa de diseo sismorresistente. Entre las diferentes formas de manejar esta oportunidad de investigacin se encuentra la creacin de modelos a escala representativos de la realidad, la adquisicin de equipos de tecnologa de punta para implementar en laboratorios, la formacin de ingenieros en el exterior o la creacin de nuevos laboratorios. Sin embargo todas estas opciones requieren la disposicin de los factores tiempo y dinero. Se propone desarrollar una aplicacin que simule el comportamiento dinmico de una estructura mediante modelos a escala con sistemas de control de vibraciones,

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de bajo costo, al alcance de cualquier usuario, generando un pensamiento crtico y analtico, evidenciando la factibilidad de esta nueva opcin de diseo.

1.2. FORMULACIN DEL PROBLEMA Cmo desarrollar una herramienta para simular el comportamiento dinmico de estructuras con sistemas de control de vibraciones?

1.3. OBJETIVOS

1.3.1. Objetivo General

Desarrollar una aplicacin para simular el comportamiento dinmico de estructuras con sistemas de control de vibraciones.

1.3.2. Objetivos Especficos

Desarrollar una aplicacin para simular el comportamiento dinmico de estructuras de un grado de libertad (1GDL) con sistemas de control de vibraciones.

Desarrollar una aplicacin para simular el comportamiento dinmico de estructuras de mltiples grados de libertad (MGDL) con sistemas de control de vibraciones.

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1.4. JUSTIFICACIN

En la actualidad, la creciente comunicacin e interdependencia entre los pases ha generado un desarrollo desenfrenado de la tecnologa y de la ciencia ya que ningn rea del conocimiento esta estudiada totalmente, as mismo, cada da se descubren nuevos conceptos y teoras demostradas experimentalmente. La ingeniera civil es una profesin que se caracteriza por la gran responsabilidad social, pues tiene como propsito contribuir al progreso, desarrollo y/o transformacin tcnico-econmica de la regin y del pas; es por esto que se tiene la necesidad de mantenerse a la vanguardia tecnolgica, sin dejar de lado los aspectos tericos, de vital importancia en el medio, para la ejecucin de proyectos con decisiones que garanticen el comportamiento adecuado de las estructuras preservando la integridad de las personas y evitando los daos materiales ante la solicitud de una carga dinmica externa. Convencionalmente el diseo de edificaciones sismoresistentes se orienta a que ante la accin de sismos de baja intensidad, stas no presenten detrimentos, que limiten sus daos en elementos no estructurales durante sismos de intensidad media y aunque presenten averas, eviten el colapso durante la accin de sismos de intensidad alta. En el ltimo caso, se debe rehabilitar o reconstruir la edificacin afectada, generando gastos muy elevados. El diseo sismorresistente mediante sistemas de control de vibraciones no se ha implementado internacionalmente por su alta inversin inicial en la construccin, pero, si se analiza a largo plazo, posterior a una solicitacin ssmica, ser mucho menor comparado con la rehabilitacin o reconstruccin de la edificacin. Para asimilar esta nueva ideologa de diseo, se debe facilitar la integracin de los conceptos tericos con su aplicacin prctica, siendo recomendado impartir la teora acompaada de montajes experimentales. Sin embargo, esta metodologa resulta costosa y en ocasiones difcil de realizar. De esta manera se propone una solucin institucional y multidisciplinaria a travs del uso de una aplicacin, que permite, mediante diversos montajes experimentales de acuerdo a los intereses del usuario realizar modelos a escala de sistemas simples y complejos de estructuras convencionales y estructuras con sistemas de control de vibraciones, para que el usuario desarrolle una interpretacin y un anlisis de los resultados llegando a la conclusin que el diseo sismorresistente mediante sistemas de control de vibraciones, es una opcin factible.

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2. MARCO DE REFERENCIA

2.1. Antecedentes

2.1.1 El presente trabajo pertenece a la lnea de investigacin estructural,

enmarcada dentro del grupo de investigacin en ingeniera ssmica, Elica,

Geotcnica y estructural, G-7. Es dirigido por los profesores Daniel Gmez Pizano

(Investigador Principal) y Johannio Marulanda Casas (Tutor), pertenecientes al

grupo de investigacin e inscrito en la escuela de ingeniera civil.

El proyecto hace parte de la Convocatoria: Innovacin educativa con uso de las

tecnologas de la informacin y la comunicacin 2011-2012. La investigacin

corresponde a la rama de Dinmica de Estructuras y Control de Vibraciones que

tiene como objetivo principal el desarrollo de una aplicacin para simular el

comportamiento estructural, junto con este modulo se presentan: mdulo 2

Geotecnia y el mdulo 3 Anlisis y diseo Estructural. El desarrollo de los

mdulos hace parte del proyecto institucional Desarrollo de un Laboratorio Virtual

de Ingeniera Ssmica, aprobado por el Ministerio de Educacin Nacional el 24 de

enero del ao 2012.

2.1.2 La figura del laboratorio virtual empez a desarrollarse en 1997 en el Centro de Investigacin Acadmica de la Universidad Estatal a Distancia de Costa Rica. Si se juzga con base en la informacin disponible en Internet, fueron de los primeros laboratorios virtuales para enseanza a distancia a nivel mundial. Cuatro aos despus, haba un proyecto comercial similar, el Virtual Frog Dissection Kit 1.0 (Albalooshi, 2008)

2.1.3 SANDOVAL MORENO, John Anderson; RAMREZ SCARPETTA, Jos

Miguel; VALENCIA DE ORO, Ana Liliana. Laboratorio Remoto de Estructuras,

Ingeniera Ssmica y Dinmica Estructural. Ciencia e Ingeniera Neogranadina.

Volumen 18-2, pp. 77-99. Bogot, Diciembre 2008. ISSN 0124-8170.

2.1.3 HERNNDEZ VALDIVIESO, Alher Mauricio; SALAZAR SNCHEZ, Mara

Bernarda; URREGO HIGUITA, David Alexander; COSTA CASTELL, Ramn;

MAANAS VILLANUEVA, Miguel ngel. Laboratorio Virtual para la Simulacin y

el Aprendizaje del Sistema Cardiovascular en Estudios de Ingeniera Biomdica.

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Revista de la Faculta de Ingeniera Universidad de Antioquia. N. 60, pp. 194-201.

Medelln, Septiembre 2011.

2.2 Estado del arte

Actualmente la aplicacin del concepto de nuevas tecnologas en la enseanza en el mbito de la realizacin de prcticas ha dado lugar a la aparicin de diferentes modalidades de entornos de experimentacin. Desde el punto de vista del estudiante/usuario, los criterios que permiten establecer una clasificacin muy clara de estos nuevos entornos son dos: la forma de acceder a los recursos sobre los que se experimenta y la naturaleza del sistema sobre el que se opera. Atendiendo al primer criterio, se puede discernir entre acceso remoto a travs de una red y acceso local. En lo referente a la naturaleza del recurso, hay que distinguir entre recurrir a modelos simulados o trabajar con plantas reales. De la combinacin de estos dos criterios se obtienen el concepto de laboratorio virtual:

El acceso local-recurso simulado. Todo el entorno de trabajo es software y la interfaz de experimentacin opera sobre un sistema simulado, virtual e inexistente fsicamente que reside en el mismo ordenador que la interfaz. (UNED, 2011).

La Escuela de Ingeniera Civil y Geomtica actualmente tienen un laboratorio remoto de estructuras, ingeniera ssmica y dinmica estructural donde se pueden realizar ensayos a distancia. Este laboratorio remoto consta de 3 mdulos, correspondientes al Mdulo de Estabilidad, Mdulo de Resistencia de Materiales y Mdulo del Marco Universal (Gmez et al. 2008).

Los procedimientos de enseanza a travs de un laboratorio virtual en un

computador personal es un concepto altamente potente, los estudiantes ya no

estn limitados a espacio o tiempo y las universidades e instituciones educativas

que no poseen medios econmicos o fsicos para soportar un laboratorio real

pueden hacer uso de este recurso.

Las principales razones para el uso de estos laboratorios virtuales son: La

disminucin en la inversin de costosas mquinas; La ampliacin en el acceso a

costosos y restringidos equipos de laboratorio; La poca disponibilidad de tiempo

libre en los laboratorios para realizar prcticas que permitan afianzar el

conocimiento en un tema especfico y la reduccin del gasto de elementos.

(Njera et al. 2007)

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Una de las caractersticas que mejor define un laboratorio virtual es la interaccin,

ya que el usuario hace realmente un experimento, interactuando con el modelo

que desea analizar.

Actualmente se han presentado algunos proyectos sobre la utilizacin del

laboratorio virtual, que permiten que los estudiantes puedan acceder a ellos.

Entre estos se pueden mencionar:

Proyecto 5a Fachada de la empresa mexicana Tejas El guila El proyecto consiste en presentar un Laboratorio Virtual (software) que realiza el

anlisis, el clculo y la optimizacin de estructuras de acero rolado en fro, as

como la cuantificacin de los materiales utilizados en la construccin de la

techumbre completa. El software est dotado con una interface de usuario fcil

de usar, intuitiva y amigable. (Rodrguez et al. 2010)

Los laboratorios virtuales de Ingeniera Ssmica (VLEE) Es un proyecto del Laboratorio de Tecnologa de Estructuras inteligentes en la

Universidad de Illinois en Urbana-Champaign. El objetivo de este proyecto

MCEER educativos es el desarrollo de laboratorios virtuales basados en Java

de Ingeniera Ssmica (VLEE) como Tri-Centro esfuerzo de colaboracin para

producir los recursos en lnea para la educacin de ingeniera ssmica. Esta

tarea es una parte de los esfuerzos del Centro en todo el MCEER para

desarrollar mdulos educativos, en los que varios Java Powered laboratorios

virtuales (LV) se han desarrollado para proporcionar un medio de experimentos

interactivos en lnea. Estn destinadas a proporcionar una comprensin

conceptual de una amplia gama de temas relacionados con la ingeniera

ssmica, incluyendo el control estructural con el amortiguador de masas (TMD) y

el amortiguador de masa hbrido (EMH), lineal y no lineal del sistema base de

aislamiento, y no lineales dinmicos estructurales anlisis de los edificios de

varios pisos. El VLEE est disponible en lnea enhttp://cee.uiuc.edu/sst/java/ y

se ha incorporado como una implementacin de referencia de los mdulos

educativos en el software NEESgrid (Gao et al. 2004). El objetivo de estos

laboratorios virtuales es proporcionar un marco interactivo para los estudiantes

y profesionales para ganar la comprensin y la intuicin fundamental con

respecto a una amplia gama de temas de ingeniera ssmica. Esta herramienta,

interactiva, de acceso libre, permite realizar Experimentos Virtuales sin el uso

directo de software especializado en simulacin estructural, adems permite la

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comunicacin, colaboracin, discusin e intercambio de informacin entre sus

usuarios. (Gao et al. 2009).

3. METODOLOGA

3.1. Tipo de estudio

El proyecto est fundamentado en establecer relaciones entre variables, para ello

identificar y caracteriza variables e identifica dependencias, independencias e

interdependencias entre las misma, para brindar de esta manera la explicacin del

comportamiento Dinmico de Estructuras. Para lograr este objetivo puede requerir

hiptesis sobre la existencia de variables susceptibles de identificacin y

caracterizacin.

3.2. Fases

Para la elaboracin del proyecto se identifican 6 fases de estudio. En la primera

fase (Diagnostico), se hace una investigacin del estado del arte, a partir de libros,

artculos y otras aplicaciones con finalidades similares a la de la aplicacin a

realizar, de igual manera en esta fase se definen los alcances del proyecto. En la

segunda fase (Investigacin) se hace una recopilacin de la teora para desarrollar

la aplicacin y cumplir con los alcances del proyecto. La tercera fase

(Procesamiento de informacin) se define el diseo de la interfaz grfica, de tal

manera que permita interactuar con el usuario y le resulte familiar; posteriormente

se realiza la programacin del mismo. En la cuarta fase (Sistematizacin) se

realiza la programacin de la teora incorporndola con la interfaz grfica. La

quinta fase (Validacin) se realiza pruebas de escritorio y correcciones al

algoritmo, para la posterior integracin de la interfaz con los otros mdulos. En la

sexta y ltima (Conclusiones) se disea una encuesta que se aplicara a

estudiantes que por primera vez utilicen la aplicacin, pues se pretende que la

aplicacin sea de fcil manejo. A partir del resultado de las encuestas se realizan

los ajustes a la interfaz grfica y al algoritmo para mejorar la experiencia del

usuario, plasmando mediante un informe los resultados obtenidos.

Fases Nombre Actividad

Nombre Caractersticas

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1 Fase de

Diagnostico

Estado del arte

- Libros

- Artculos

- Aplicaciones

Alcances Definicin

2 Fase de

Investigacin

Recopilacin

Informacin

Organizacin de teora

disponible y necesaria

3

Fase de

Procesamiento

de Informacin

Programacin

Interfaz Diseo y Programacin

4 Fase de

Sistematizacin

Programacin

Teora

- Programacin de la teora

- Integracin con la interfaz

5 Fase de

Validacin Ajuste

- Pruebas escritorio

- Correccin Algoritmo

- Integracin con los otros

mdulos

6 Fase de

Conclusiones Diagnostico

- Diseo de formulario diagnostico

- Realizar encuestas

- Correccin programa

-Informe

4. RECURSOS

4.1. Cronograma

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F M A M J J A S O N D

Estado del arte:

Programacin:

o Programacin interfaz

Diseo

Programacin

o Programacin teora :

Comportamiento dinmico de estructuras de 1GDL

Ajuste:

o Ajuste:

Prueba de escritorio y correccin de algoritmo

Integracin interfaz con otros mdulos

o Diagnostico

Diseo formulario de diagnostico

Realizar encuestas

Correccin programa

INFORMES

CRONOGRAMA DE ACTIVIDADES

Comportamiento dinmico de estructuras de 1GDL con

sistemas de control de vibraciones

ACTIVIDADES2012

4.2. Presupuesto

efectivo $ especie [$] efectivo $ especie [$] efectivo $ especie [$]

OPERACION

Servicios Personales

Estudiante Horas 4000 20 H/semana X 4 semanas/mes X 9 meses 2880000 2880000

Director Horas 37500 3 H/semana X 4 semanas/mes X 9 meses 4050000 4050000

Codirector Horas 56250 3 H/semana X 4 semanas/mes X 9 meses 6075000 6075000

Asesor Horas 18750 20 H/semana X 4 semanas/mes X 9 meses 13500000 13500000

Gastos Generales

Papelera e utensilios Semanas 700 4 semanas/mes X 9 meses 25200 25200

Insumos (Energa)

Computador Watt 0.511 160 W/H X 20 H/semana X 4semanas/mes X 9meses 58867.2 58867.2

Iluminacin Watt 0.511 110 W/H X 20 H/semana X 4semanas/mes X 9meses 40471.2 40471.2

Aire acondicionado Watt 0.511 1200 W/H X 20 H/semana X 4semanas/mes X 9meses 441504 441504

INVERSIN

Licencia del software licencia 2457771 1 2457771 2457771

Equipos Horas 1041.67 20 H/semana X 4 semanas/mes X 9 meses 750000 750000

25200 2880000 540842.4 26082771 750000 0

PORCENTAJES (%) 100

302788132905200 26623613.4 750000

SUMATORIAS TOTALES ($)

9.6 87.9 2.5

investigor univalle otros

TABLA DE COSTOS

TEM Ud $/Ud cantidad $ Total

4.3. Bibliografa

16

Gmez, D., Marulanda, J., Thomson, P., sistemas de control para la proteccin de

estructuras civiles sometidas a cargas dinmicas, 2007.

Avils, R., Dispositivos para el Control de Vibraciones, Valdivia, 2001

Albalooshi, F., Virtual education: Cases in learning & teaching technologies.

Hershey, 2003

Njera, J. M., & Mndez, V. H. Ventajas y desventajas de usar laboratorios

virtuales en educacin a distancia. Revista Educacin 31(1) ISSN: 0379-

7082,pag. 91-108, 2007.

Sandoval, J. A., Ramirez, J. M., & Valencia, A. L. Desarrollo tecnolgico de los

laboratorios remotos de estructuras e Ingeniera Ssmica y Dinmica

Estructural. Ciencia e Ingeniera Neogranadina ISSN: 0124-8170 Vol. 18-2,

pag. 77-99, 2008.

Gao, Y., Yang, G., Spencer, Jr., B.F. & Lee, G.C. Java-Powered Virtual

Laboratories for Earthquake Engineering Education," MCEER Research

Progress and Accomplishments 2003-2004, MCEER, pag. 187-203, 2004.

Sim, S. H., Spencer, Jr., B.F. & Lee, G.C. Virtual Laboratory for Experimental

Structural Dynamics. Computer Applications in Engineering Education,

17(1), pag. 80-88, 2009.

Gmez, D., Marulanda, J., Thomson, P., Ramrez, J. M., Buitrago, J. T., Rosero,

E. Desarrollo Tecnolgico de los Laboratorios Remotos de Estructuras e

Ingeniera Ssmica y Dinmica Estructural. Proyecto de investigacin

contrato No. 237-2005 Colciencias, Universidad del Valle, 2008.

Rodrguez, M.T., Gmez, J.C., Caudillo, L.A., Hernndez, H.A., Escalante, M.,

Quiroz, D., Ayala, E., Yez, J.M. 5 Fachada, un sistema para optimizar,

17

disear y construir techos con estructuras metlicas ligeras basados en el

sustento del ahorro de los materiales y energa. Empresa Tejas el guila,

2010

UNED . Laboratorio Remoto. DIA - UNED.

http://lab.dia.uned.es/rlab/contenido/labvirtual.html?page=3. Consultado el

Mayo de 2011