DETERMINACIÓN DE RESISTENCIA A LA...

U N I V E R S I D A D D E L B I O - B I O

FACULTAD DE I NGENIERÍ A

DEPARTAMENTO INGENIERÍA CIVIL Y AMBIENTAL

Profesora Patrocinante: Carmen González L.

Profesor Co-guía: Erik Baradit A.

Profesor comisión: Franco Benedetti L.

DETERMINACIÓN DE RESISTENCIA A

LA COMPRESIÓN Y MÓDULO DE

ELASTICIDAD DE SUELOS COHESIVOS

MEDIANTE VELOCIDAD DE

ULTRASONIDO.

PROYECTO DE TÍTULO PRESENTADO EN CONFORMIDAD A LOS REQUISITOS PARA

OPTAR AL TÍTULO DE INGENIERO CIVIL

LESLIE CONTRERAS URRUTIA

CONCEPCIÓN, JULIO 2014.

Universidad del Bío-Bío. Sistema de Bibliotecas - Chile

DEDICATORIAS

“ A todas las personas que en el

transcurso de este camino me brindaron

su apoyo, en especial a Dios, mis padres, hermanas, tías

y Profesores, por ayudarme a cumplir el sueño de ser una Profesional….”


NOMENCLATURA

a) Siglas.

MND: Método No Destructivo.

MD: Método Destructivo.

NCh: Norma Chilena

USCS: Unified Soil Classification System.

AASHTO: American Association of State Highway and Transportation Officials.

mm: milímetros

cm: centímetros

D.M.C.S: Densidad máxima compactada seca.

E: Modulo de Elasticidad.

: Deformación unitaria.


RESUMEN ......................................................................................................................................... 1

1. INTRODUCCION ......................................................................................................................... 2

1.1 Método no destructivo-MND. ................................................................................................................. 2

1.2 Identificación del Problema .................................................................................................................... 3

1.3 Objetivos del Estudio ............................................................................................................................. 4

1.3.1 Objetivo principal ...............................................................................................................................4

1.3.2 Objetivos específicos ..........................................................................................................................4

1.4 Alcances del Proyecto ............................................................................................................................ 5

2. REVISION BIBLIOGRAFICA ..................................................................................................... 6

2.1 Método destructivo-MD- tradicional, Ensayo de Compresión no Confinada ................................................. 6

2.2 Método no destructivo-MND-, de naturaleza acústica ................................................................................... 6

2.2.1 Ondas elásticas acústicas ...................................................................................................................8

2.2.2 Técnica de ultrasonido .......................................................................................................................8

2.3 Características de suelos cohesivos, arcillas. ................................................................................................. 9

3. METODOLÓGIA ........................................................................................................................ 10

3.1 Toma de datos para la creación de las Curvas de Conversión ...................................................................... 11

3.2 Obtención de datos. .................................................................................................................................... 12

3.3 Validación estadística................................................................................................................................. 13

4. RESULTADOS Y ANALISIS ...................................................................................................... 15

4.1 Análisis de los resultados obtenidos de resistencia a la compresión no confinada (qu)................................. 15

4.2 Análisis de los resultados obtenidos del Módulo de Elasticidad .................................................................. 18

4.3 Validación Estadística ................................................................................................................................ 20

5. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ........................................................................... 21

5.1 Conclusiones.............................................................................................................................................. 21

5.2 Recomendaciones ...................................................................................................................................... 22

6. BIBLIOGRAFIA .......................................................................................................................... 23

7. Anexo ............................................................................................................................................ 25

7.1 Ensayos geomecanicos. .............................................................................................................................. 26

7.2 Equipo Pundit Lab+ .................................................................................................................................... 29


7.2.1 Generador de pulsos ........................................................................................................................ 29

7.2.2 Transductores .................................................................................................................................. 29

7.2.3 Probetas .......................................................................................................................................... 30

7.3 Curvas de conversión. ................................................................................................................................ 31

7.3.1 Tabla de datos de la curva de conversión. ........................................................................................ 31

7.3.2 Curvas de conversión obtenidas con el Punditlink. ............................................................................ 32

7.4 Calculo estadístico. .................................................................................................................................... 34

7.4.1 Prueba de hipótesis para la Resistencia a la compresión no confinada. ............................................ 34

7.4.2 Prueba de hipótesis para el Módulo de elasticidad (E). ..................................................................... 34

7.4.3 Tabla de Distribución Estándar......................................................................................................... 35

7.4.4 Curva de operación para : 0,05 ..................................................................................................... 36

7.5 Resultados ensayos de Compresión no confinada. ...................................................................................... 37

7.5.1 Probetas compactadas al 80% ......................................................................................................... 37




ÍNDICE DE FIGURAS

Figura N°1: Esquema de Tratamiento de problemas de Ingeniería Civil……………….…….…………2

Figura N°2: Montaje de equipos de medición MND, técnica ultrasónica………...……..…….………..8

Figura N°3: Gráficos de resistencia a la compresión no confinada obtenido con velocidad de

ultrasonido V/S resistencia a la compresión no confinada obtenido con el ensayo de compresión no

confinada, para cada grado de compactación…………………………………………………………...17

Figura N°4: Gráficos del Módulo de Elasticidad obtenido con velocidad de ultrasonido V/S del

Módulo de Elasticidad obtenido del ensayo mecánico, para cada grado de compactación.

…………….…………………………………………………………………………………………….20

ÍNDICE DE ECUACIONES

Ecuación N°1: Formato de la curva de resistencia a la compresión………………………...….............11

Ecuación N°2: Modulo de elasticidad empleando velocidades de ultrasonido……………..………….12

Ecuación N°3: Abscisa del grafico Vic “Curvas características de operación”…………….……….…13

Ecuación N°4: Estadístico de prueba de hipótesis sobre igualdad de dos medias, varianzas

conocida……………………………….…………………………………………………………….….14

ÍNDICE DE TABLAS

Tablas N°1: Resultados de resistencia a la compresión no confinada obtenidos con velocidad de

ultrasonido y el ensayo de compresión no confinada ……………………………………………...…...15

Tablas N°2: Medias y Desviaciones Estándar de los datos obtenidos de resistencia a la compresión no

confinada empleando el equipo Pundit Lab+

y el ensayo de compresión no confinada ……………16

Tablas N°3: Resultados del Módulo de Elasticidad obtenidos con velocidad de ultrasonido y el ensayo

de compresión no confinada …………….…………………………………………………………..…18

Tablas N°4: Media y Desviación Estándar de los datos obtenidos del Módulo de Elasticidad empleando

velocidad de ultrasonido y el ensayo de compresión no

confinada……………………………………………………………………………….……………….19


1

DETERMINACIÓN DE RESISTENCIA A LA COMPRESIÓN Y MODULO DE

ELASTICIDAD DE SUELOS COHESIVOS MEDIANTE VELOCIDAD DE ULTRASONIDO.

Autor: Leslie Constanza Contreras Urrutia

Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental, Universidad del Bío Bío, [email protected]

Profesor Patrocinante: Carmen Gloria González Labbé

Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental, Universidad del Bío Bío, [email protected]

Profesor Co-guía: Erik Baradit Allendes.

Departamento de Física, Universidad del Bío Bío, [email protected]

RESUMEN

En los últimos años se ha impulsado el uso de Métodos No Destructivos de naturaleza acústica en

especial el ultrasonido para determinar las propiedades de materiales, tanto en estructuras y suelos.

Así, en este trabajo se ha realizado un estudio experimental de probetas cilíndricas de suelos cohesivos,

de 10(cm) de alto y 5(cm) de diámetro, con humedad óptima y diferentes grados de compactación

(80%,85% y 90%) que tiene por objetivo determinar la resistencia a la compresión no confinada y el

módulo de elasticidad empleando la velocidad de propagación de ultrasonido y el ensayo de

compresión no confinada.

Para lograr el propósito planteado se debieron ensayar por ambos métodos dos series de 10 probetas

gemelas para cada grado de compactación. Con los datos obtenidos al ensayar la primera serie de

probetas se crearon tres curvas de conversión, las cuales se cargaron al equipo Pundit Lab+ y se

procedió a ensayar de igual manera la segunda serie de probetas, obteniendo la resistencia a la

compresión no confinada y módulo de elasticidad. Los resultados obtenidos por ambos métodos

indican una clara similitud e igual tendencia de crecimiento que el grado compactación, donde la

resistencia a la compresión no confinada aumenta de 0,10 a 0,25(MPa) y el módulo de elasticidad 3,03

a 7,80(MPa). Sin embargo la media y deviación estándar de los resultados de resistencia a la

compresión no confinada y módulo de elasticidad son mayor empleando velocidad de ultrasonido.

Palabras clave: velocidad de ultrasonido, resistencia a la compresión no confinada, módulo de

elasticidad, suelos cohesivos.

6.821 (palabras)+4*250figuras+4*250 ecuaciones+4*250tablas= 9.821 palabras


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2

1. INTRODUCCION

En este capítulo se presenta una introducción al trabajo desarrollado en cuanto a la identificación del

problema, más algunas descripciones necesarias que sustentan la decisión de investigar. Se presentan

además objetivo general, objetivos específicos y alcance.

1.1 Método no destructivo-MND.

En Ingeniería Civil para determinar la respuesta de un material ante futuras solicitaciones impuestas, se

debe tener un conocimiento previo de sus propiedades físico-mecánicas.

Lo anterior implica la determinación de las propiedades que controlan el comportamiento de los

materiales en estudio, comúnmente se determina mediante ensayos de laboratorio o de campo, llevando

a la falla muestras representativas del material, lo que es conocido como Solución Directa

(Santamarina, 1998). Sin embargo se puede adoptar una Solución Inversa, donde la determinación de

las propiedades del material se realiza mediante la aplicación de señales conocidas de entrada y salida,

proceso de Identificación de sistemas (ver Figura 1).

A partir de la solución inversa se propone el uso del método no destructivo, el cual consiste en ensayos

de aplicación de fenómenos físicos (ondas electromagnéticas, ultrasonido, acústica, entre otras) a

diferentes materiales, sin alterar sus propiedades físicas, mecánicas y dimensionales

Figura 1.Esquema de Tratamiento de problemas de Ingeniería Civil. (Santamarina, 1998).


3

1.2 Identificación del Problema

En la práctica de Ingeniería Civil en geotecnia se requiere trabajar con datos limitados en ambientes

complejos donde las condiciones cambian en cortas distancias y tiempos, comúnmente se debe usar un

correcto juicio para extender la información limitada a un modelo generalizado del subsuelo de un

proyecto (Rocco, 2009).

En la actualidad la elección de ensayos in-situ y ensayos de laboratorio que permitan obtener resultados

rápidos y confiables es complejo, debido a que poseen un tiempo considerable de ejecución,

provocando muchas veces una demora importante en el diseño y estudio en un proyecto. Un claro

ejemplo de esto, es el ensayo de resistencia a la compresión no confinada aplicado a suelos cohesivos,

donde además del tiempo de ejecución se suma las propiedades que caracterizan a este tipo de suelo

como un material complejo de trabajar.

En los últimos años el progreso del uso de métodos no destructivos ha destacado el uso de registros

acústicos para el estudio de suelos, ya sean superficiales y en perforaciones, cuya aplicación es sencilla

y versátil, además se obtienen resultados halagadores en otras latitudes donde se han adelantado este

tipo de investigación; las técnicas más sobresalientes son; el perfil sísmico superficial (refracción

sísmica) y el perfil sísmico vertical, cuyos ensayo son: Down-hole, Cross- hole, Remi y Masw (A.

González, 2011).

En este sentido, la siguiente investigación propone el uso de velocidades de propagación de ultrasonido

para determinar la resistencia a la compresión no confinada y el módulo de elasticidad en suelos

cohesivos con el propósito de reducir el tiempo en la obtención de datos preliminares a la etapa de

diseño de un proyecto de Ingeniería Civil.


4

1.3 Objetivos del Estudio

1.3.1 Objetivo principal

- Determinar la resistencia a la compresión y módulo de elasticidad en suelos cohesivos

aplicando velocidad de propagación de ultrasonido mediante el equipo Pundit Lab+.

1.3.2 Objetivos específicos

- Crear las curvas de conversión de suelos cohesivos para cada grado de compactación.

- Determinar la resistencia a la compresión y módulo de elasticidad de arcillas inorgánicas

mediante el ensayo de compresión no confinada.

- Determinar la resistencia a la compresión y módulo de elasticidad de arcillas inorgánicas

mediante velocidades de ultrasonido empleando el equipo Pundit Lab+ de naturaleza acústica.

- Comparar los valores de resistencia a la compresión y módulo de elasticidad obtenidos con el

ensayo de compresión no confinada y velocidades de ultrasonido.


5

1.4 Alcances del Proyecto

El enfoque de este estudio es medir, cuantificar y finalmente analizar, a nivel de laboratorio, la

factibilidad de determinar la resistencia a la compresión no confinada y módulo de elasticidad en suelos

cohesivos mediante velocidades de ultrasonido empleando el equipo Pundit Lab+ y ensayo de

compresión no confinada, basando en la norma NCh 3134 0f 2007 y algunas recomendaciones citadas

del manual del equipo.

En el momento de realizar las mediciones con el equipo Pundit Lab+, se consideró como longitud de las

probetas 100 (mm) citado en el manual del equipo, con el fin de cumplir con las dimensiones de

recorrido óptima de las ondas de ultrasonido y las dimensiones exigidas para el ensayo de compresión

no confinada, logrando así obtener buenos resultados.

Debido a que el equipo posee una resolución de 0,1 s y los valores de resistencia a la compresión no

confinada obtenidas del suelo en estudio son bajo los 0,27 (MPa), se procedió a multiplicar por 10 los

valores obtenidos de resistencia a la compresión no confinada (qu), para poder así tener una ganancia

de 2 decimales, de acuerdo a las recomendaciones indicadas por el fabricante del equipo Pundit Lab+.


6

2. REVISION BIBLIOGRAFICA

En este capítulo se describen los conceptos básicos asociados al estudio de este proyecto de título, a

través de un resumen de los principales conceptos e investigaciones realizadas anteriormente.

2.1 Método destructivo-MD- tradicional, Ensayo de Compresión no Confinada

En Ingeniería Civil actualmente se aplica como herramienta de estudio el método destructivo

tradicional para determinar las propiedades físico-mecánicas de los materiales, llevando a la falla

probetas representativas del material en estudio.

Uno de los ensayos que emplean este MD, es el ensayo de compresión no confinada, el cual consiste en

determinar a través de una probeta representativa del material la capacidad máxima de resistencia que

posee, aplicando una fuerza vertical en una cierta área conocida. Este ensayo solo se realiza a suelos

cohesivos, debido a las características morfológicas y propiedades que posee.

2.2 Método no destructivo-MND-, de naturaleza acústica

Los métodos no destructivos, son aquellos grupos de técnicas, procedimientos y ensayos que se han

venido desarrollando durante las últimas décadas para la investigación de tipo no invasiva tanto en

ingeniería como en medicina, geociencia y física, constituyen actualmente una herramienta de análisis

y conocimiento de las propiedades físico-mecánicas de los materiales sin tener que destruirlos como se

hace tradicionalmente.

Con el transcurso de los años se han desarrollado diferentes técnicas de MND las cuales se diferencian

de sus particularidades físicas. Por ejemplo, debido a las dimensiones internas de los materiales

constitutivos de los suelos y los concretos, es decir el tamaño de los agregados o partículas pétreas

inertes e incluso de las fisuras presentes en ellos, una de las técnicas acústicas más utilizadas para su

caracterización es el ultrasonido.

El término ultrasónico es usado para describir ondas mecánicas que se propagan en medios gaseosos,

líquidos y sólidos a frecuencias por encima del límite audible para el oído humano, cerca de los 16

KHz. Debido a que el comportamiento de estas ondas está relacionado con las propiedades físico-

mecánicas de cualquier medio a través del cual ellas pasan, el ultrasonido se puede usar para investigar

esas propiedades.


7

Los primeros estudios y publicaciones de las técnicas de ultrasonido como MND para el ensayo de

materiales se presentaron a finales de los 60’s y comienzos de los 70’s en el Instituto de Problemas

Técnicas Básicas en Polonia (Leszeck Filipczunski, 1966).

Sin embargo el inicio practico actual de las ondas de vibración de ultrasonido, tiene como origen dos

efectos físicos que se dieron a conocer en los años 1847 y 1880: el fenómeno de la magnetrostricción

nombre que se le da a la deformación mecánica que sufre la mayoría de los materiales ferromagneticos

cuando son expuestos a un campo magnético, descubierto por Joule, y las propiedades piezoeléctricas

que dice que un material piezoeléctrico al ser deformado por una presión mecánica produce cargas

eléctricas en su superficie, en cuyo estudio colaboraron los hermanos Curie. Sus aplicaciones prácticas

empiezan a manifestarse en los años 1912 en los equipos diseñados por Langevin y por Pierce en 1928,

en cada uno de dichos campos.

Fue Sokolov, en 1929 en la antigua URSS, el primer científico en seguir aplicando el uso de ondas de

ultrasonido para determinar singularidades o defectos en elementos metálicos. Si bien, la existencia de

los ultrasonidos se conoció el año 1883, por los trabajos realizados por Galton con los límites de la

audición humana. La idea de acoplar los transductores con líquido para la inspección de materiales se

la atribuye a Skolov (Skolov, 1981).

Sin embargo, no fue hasta la segunda guerra mundial cuando se produjo resultados realmente

significativos en la aplicación de este tipo de técnicas no destructivas. El desarrollo del método de ecos

lo introdujo en 1942 en la Universidad de Michigan, Estados Unidos. Independientemente y en la

misma época, científicos ingleses como Sproule desarrollo equipos y métodos similares para defectos

de diversos materiales.

Cabe señalar que en el transcurso de los años las técnicas de ultrasonido ha desarrollado un amplio

abanico de aplicación en ingeniería tales como el estudio de los suelos, las rocas, las aguas

subterráneas, los pavimentos, las estructuras geológicas (fallas, diaclasas, planos de estratificación,

etc.), las estructuras civiles, entre otras (Sarrin, 2010).

La utilización de ondas de sonido natural como fuente de registros sísmicos se ha aplicado desde

aproximadamente 50 años. A partir de los registros acuáticos de 1970, Nakamura propone en 1989 una

definición teórica de la técnica H/V de refracción múltiples de ondas HS para la caracterización de


8

suelos en el área de Geotecnia (“Aplicación de técnicas de vibración ambientales: análisis de

microtremores y vibraciones naturales, para la caracterización de sitio”, 2007)

Sin embargo en los últimos años se ha profundizado en las investigaciones y aplicaciones de las

técnicas de ultrasonido en el área de concreto, mediante el impacto-eco, para la detección de fisuras y

defectos dentro de los materiales, logrando medir el efecto en la resistencia del material (Evolución del

hormigón mediante ultrasonido esclerómetro. Rev.Int. De Ingeniería en Construcción, 2012).

De igual manera se han desarrollado la aplicación de métodos no destructivos en el estudio de masas de

suelos y rocas, destacándose los registros acústicos superficiales y en perforaciones, determinando las

propiedades físico-mecánicas y las condiciones presentes del medio en estudio (“Utilización reciente de

los Métodos No Destructivos –MND- en la práctica de Ingeniería Civil (Suelos y Estructura)”,2005)

2.2.1 Ondas elásticas acústicas

Una onda es un fenómeno ondulatorio y físico, según el cual se propaga energía sin desplazamiento de

materia de un punto a otro del espacio a través de algún medio sólido, líquido o gaseoso, donde la

variación de presión, humedad o temperatura del medio de propagación, produce el desplazamiento de

las moléculas que la conforman respecto a su posición de equilibrio. Cada molécula transmite la

vibración a las que se encuentran en su vecindad, provocando un movimiento en cadena

Las ondas se pueden clasificar según; su naturaleza (Electromagnéticas, mecánicas y gravitacionales),

su polarización (transversal y longitudinal) y dirección de propagación (unidimensional, bidimensional

y tridimensional).

El MND de naturaleza acústica utiliza ondas elásticas acústicas de tipo ultrasónica, las cuales son de

frecuencia superior al rango audible, que se propagan en medios elásticos generando variaciones de

presión (“Cátedra: Ensayo No Destructivo por Método Ultrasónico”,2012)

2.2.2 Técnica de ultrasonido

Las técnicas ultrasónicas, para determinar los parámetros físico-mecánicas del material, utiliza un

sistema de circuito cerrado, el cual puede ser analizado como una secuencia de transformaciones en

serie, que incluyen en su arreglo los siguientes equipos: un generador de pulsos ultrasónicos, acople, un


9

transductor emisor y un receptor de pulsos de contacto (ver Anexo 7.2), el cual capta la onda que viaja

por el medio en estudio, como se puede apreciar en el siguiente esquema.

De los componentes anteriormente mencionados se destaca la unidad generadora de pulso, debido a

que el rango de frecuencia y otras de sus características dimensionales están asociados al tipo de

transductores de acuerdo al material que se está evaluando. Igualmente las probetas deberán cumplir

ciertas características que estén acorde con el equipo y las frecuencias a utilizar (ver anexo 7.2.3)

2.3 Características de suelos cohesivos, arcillas.

Los suelos cohesivos son aquellos tipos de suelos que están constituidos por partículas microscópicas

unidas por enlaces químicos y que dependiendo del tamaño de las partículas y de las características que

poseen pueden clasificar en limos y arcillas.

Las arcillas poseen partículas solidas de diámetros menor a 0,005 (mm), los minerales arcillosos que

conforman este tipo de suelo son producto de la meteorización química y están compuestos en su

mayoría por silicatos de aluminio hidratados. El componente de las partículas que constituyen el

mineral arcilloso está dominado principalmente por la actividad electroquímica. En general tiene una

carga negativa neta y presentan afinidad por el agua, lo cual le entrega la característica de cohesión y

plasticidad (Lambe, 1972)

La existencia de una macroestructura bien definida puede tener una gran influencia en el

comportamiento ingenieril de las arcillas, por ejemplo las fisuras, las cuales constituyen un plano de

debilidad provocando una disminución en la resistencia. Esto también provoca una disminución en el

módulo de elasticidad, el cual es un parámetro que entrega la razón entre el incremento de esfuerzo

aplicado a un material y el cambio correspondiente a la deformación unitaria que experimenta.

Figura 2.Montaje de equipos de medición MND, técnica ultrasónica. (Fuente Propia).


10

3. METODOLÓGIA

En este capítulo se describen los pasos necesarios para el cumplimiento del objetivo general de este

proyecto de titulo. En primera instancia se da a conocer las características del material en estudio, luego

se explica la metodología adoptada para la obtención de datos empleando velocidades de ultrasonido y

el ensayo de compresión no confinada, y posteriormente desarrollar cada uno de los pasos mencionados

en la metodología de manera más detallada y específica.

El material empleado en el presente estudio proviene del “Fundo el Venado” ubicado en el sector de

Andalué, comuna de San Pedro de la Paz, provincia de Concepción, el cual fue clasificado como CL,

arcilla inorgánica de baja plasticidad según la clasificación USCS y A-7-6 (13) por la AASHTO (NCh

165 Of.77), el cual coincide con las características geológicas del material existente en el sector

mencionado anteriormente.

Las probetas que se ensayaron fueron fabricadas con la humedad óptima (21,17%) y con tres

densidades distintas, es decir al 80%, 85% y 90% de la D.M.C.S de 1506 (Kg/m3) obtenida del ensayo

Proctor Modificado (NCh 1534/2 Of.79), ver anexo 1.

Para la obtención de la resistencia a la compresión no confinada por velocidades de ultrasonido, se

procedió en primera instancia a crear tres curvas de conversión para cada grado de compactación, se

ensayaron tres series de diez probetas, obteniendo para cada una la velocidad de ultrasonido empleando

el equipo Pundit Lab+ y la resistencia a la compresión no confinada mediante el ensayo mecánico,

luego se escogieron según las recomendaciones indicadas por el fabricante del equipo Pundit Lab+ los

resultados más representativos para crear cada curva.

Una vez creada las curvas se procedió a obtener los valores de resistencia a la compresión no confinada

ensayando tres series de diez probetas para cada grado de compactación. A cada probeta se determino

en primera instancia la resistencia a la compresión no confinada empleando el equipo Pundit Lab+,

donde se escogió previamente la curva de conversión asociado al grado de compactación, después se

sometía la probeta al ensayo de compresión no confinada. De manera simultánea se registra la

velocidad de ultrasonido cuando se emplea el equipo Pundit Lab+ y la pendiente de la curva de tensión-

deformación obtenida del ensayo de compresión no confinada, determinando posteriormente el módulo

de elasticidad.


11

Finalmente a cada base de datos obtenidas se le aplica un análisis de validación estadística, aplicando el

criterio “Prueba de hipótesis sobre la igualdad de dos medias, varianzas conocidas” (Montgomery,

1996), de tal manera de aprobar o rechazar la hipótesis nula o unilateral planteada.

3.1 Toma de datos para la creación de las Curvas de Conversión

Las curvas de conversión para cada grado de compactación se crearon a base de los datos registrados

de velocidad de ultrasonido empleando equipo Pundit Lab+ y la resistencia a la compresión no

confinada del ensayo mecánico, los cuales se depuraron de acuerdo al criterio de diferencia entre los

valores registrados y la media de cada grupo de probetas, para la resistencia a la compresión no

confinada.

Aplicando este criterio, los datos registrados se redujeron a 8 datos para la curva de conversión del 80%

y 90% de compactación y 10 datos para la curva de conversión del 85% de compactación. De esta

manera se logro obtener una tendencia homogénea en el aumento de los valores obtenidos (ver anexo

7.3.1)

Con cada base de datos se calcularon las constantes “a” y “b”, para crear cada curva de conversión

(ver ecuación 1), para ello se utilizo el Excel de “Pundit Function to Estimate Compressive Strength of

concrete”. Cabe señalar que debido a que el equipo posee una resolución muy baja (0,1 s) y los

valores de resistencia a la compresión no confinada obtenidas del suelo en estudio se encuentran entre

los 0,100 y 0,270 (MPa), se procedió a multiplicar por 10 los valores obtenidos de resistencia a la

compresión no confinada (qu), para poder así tener una ganancia de 2 decimales, de acuerdo a las

recomendaciones indicadas por el fabricante del equipo Pundit Lab+.

Donde:

a y b son constantes

V es la velocidad de pulso ultrasónica en (m/s)

Ecuación 1. Formato de la curva de resistencia a la compresión. (Proceq).


12

Una vez obtenidos los parámetros para cada curva, se procedió a ingresarlos al software “Pundit

Link”, creando las curvas para cada grado de compactación (ver anexo 7.3.2), las cuales se cargaron al

equipo y finalmente se procedió a ensayar las nuevas series de probetas registrando la resistencia a la

compresión no confinada obtenida a partir de las curvas de conversión.

3.2 Obtención de datos.

Para la obtención de la resistencia a la compresión no confinada de cada probetas mediante velocidad

de ultrasonido, se empleo el equipo Pundit Lab+, donde previo al ensayo se debió calibrar el equipo y

debido a las características del material en estudio se escogieron unos transductores de menor

frecuencia, en esta oportunidad fueron los de 24 (KHz). Esto, debido a que a menor frecuencia, menor

es la absorción de la onda de ultrasonido transmitida, en conjunto con ello se aumento la ganancia a

500x; luego se eligió la curva de conversión asociada al grado de compactación, y una vez finalizada la

medición se sometió a cada probeta al ensayo de compresión no confinada, empleando el equipo

Instron, logrando así obtener la resistencia a la compresión no confinada por ambos métodos.

De manera simultánea se registra durante la etapa descrita anteriormente la velocidad de ultrasonido

obtenida con el equipo Pundit Lab+ para cada probeta y posteriormente en el ensayo de compresión no

confinada se obtuvo el módulo de elasticidad mediante el equipo Instron.

Cabe señalar que para calcular el módulo de elasticidad mediante la velocidad de ultrasonido se

empleo, la siguiente ecuación,

Donde:

densidad seca del suelo (Kg/m3)

es la velocidad de pulso ultrasónica en (m/s)

Ecuación 2. Módulo de elasticidad empleando velocidades de ultrasonido.

(Fuente Propia).


13

3.3 Validación estadística

Para validar los resultados de resistencia a la compresión no confinada y módulo de elasticidad

empleando velocidades de ultrasonido se plantea realizar un estudio estadístico, debido a que no

existen datos de estos parámetros para suelos cohesivos; se desarrollaron una serie 10 ensayos para

cada grado de compactación, con el fin de obtener una tendencia de valores para cada parámetro y

poder asumir un tipo de distribución normal.

Luego de obtener los resultados de resistencia a la compresión no confinada (qu) y módulo de

elasticidad, se emplea el criterio “Prueba de hipótesis sobre la igualdad de dos medias, varianzas

conocidas” (Montgomery, 1996) donde se emplea una hipótesis nula llamada H0: 1= 2 la cual se

evaluara con una hipótesis unilateral H1: 1 >2, para los resultados del ensayo de compresión no

confinada se considerara 1 como el valor promedio de la resistencia a la compresión no confinada (qu)

obtenido por la velocidad de ultrasonido y 2 es el valor promedio de los resultados obtenidos del

ensayo de compresión no confinada. En cambio para los resultados obtenidos del modulo de elasticidad

1 es el valor promedio del módulo de elasticidad obtenido por la velocidad de ultrasonido y 2 es el

valor promedio del módulo de elasticidad obtenido del ensayo de compresión no confinada. La

evaluación de la hipótesis es mediante el siguiente estadístico de prueba que entrega el autor:

Además, se asumirá un valor de =0,05 (valor comúnmente empleado para este caso). Finalmente, se

rechaza la hipótesis nula siempre y cuando el valor del estadístico de prueba (Z0) sea mayor que Z=

1,6 (según tabla de distribución normal estándar acumulado para una probabilidad del 95% de

ocurrencia) de caso contrario se aceptara la hipótesis nula.

Ecuación 3. Abscisa del grafico Vic “Curvas características de operación”.

(Montgomery, 1996)

(Fuente Propia).


14

También es necesario probar si la selección del tamaño de la muestra es la adecuada para el estadístico

de prueba planteado, mediante el empleo de las curvas características de operación (CO) y la siguiente

ecuación.

Luego de asumir una probabilidad de ocurrencia de la hipótesis H1 de 90% y obtener “d”, se procede a

interceptar estos valores en la grafica Vic “Curvas características de operación”, para determinar la

cantidad de ensayos que se deben realizar para validar el estudio.

La resolución del criterio y las formulas empleadas se adjuntan en el anexo 7.4 de este estudio.

Ecuación 4. Estadístico de prueba de hipótesis sobre igualdad de dos medias,

varianzas conocidas. (Montgomery, 1996)

(Fuente Propia).


15

4. RESULTADOS Y ANALISIS

En esta capitulo se dan a conocer los resultados y el análisis de los datos obtenidos de la resistencia a la

compresión no confinada y módulo de elasticidad, mediante velocidades de ultrasonido y ensayo


4.1 Análisis de los resultados obtenidos de resistencia a la compresión no confinada (qu)

Los resultados registrados de la resistencia a la compresión no confinada empleando velocidades de

ultrasonido poseen los mismos rangos que los resultados obtención en el ensayo de compresión no

confinada, es decir, para las probetas compactadas al 80% los valores registrados se encuentran dentro

de los rangos de 0,11 (MPa) a 0,15(MPa); para las probetas compactadas al 85% los resultados

registrados fluctúan entre 0,11 (MPa) a 0,19 (MPa) y en cambio para las probetas compactadas al 90%

los valores fluctúan desde los 0,15 (MPa) a 0,25( MPa), tal cual se aprecia en la siguiente tabla.

El 57% del total de las probetas ensayadas obtuvieron por ambos métodos el mismo valor de resistencia

a la compresión no confinada, del cual las probetas compactadas al 80% y 85% registraron el 50% de

similitud en sus resultados y en cambio las probetas del 90% de compactación obtuvieron un 60%. Esta

tendencia es completamente congruente, debido a que las probetas compactadas en los dos primeros

rangos presentar un mayor nivel de intersticios los cuales producen un aumento en la absorción de las

ondas de ultrasonido transmitida por el generador de pulso en el momento de viajar dentro del medio

Tabla 1.Resultados de resistencia a la compresión no confinada obtenidos con velocidad de ultrasonido y

el ensayo de compresión no confinada. (Fuente Propia).


16

de estudio, donde aproximadamente el 75% de la onda total trasmitida la capta el transductor receptor,

provocando que el resultado obtenido posea un menor nivel de precisión con respecto a los resultados

del ensayo de compresión no confinada.

Al observar la tabla 2, se logra distinguir con claridad que las medias de los resultados de resistencia a

la compresión no confinada obtenidos empleando velocidad de ultrasonido son mayor que las medias

registrada en los resultados del ensayo de compresión no confinada. Sin embargo en ambos métodos la

media obtenida para las probetas compactadas al 80% bordea los 0,12 (MPa), para las probetas del 85%

de compactación se encuentra en los 0,15 (MPa) y en cambio para las probetas del 90% de

compactación la media posee una tendencia del 0,21 (MPa).

Con respecto a los valores de desviación estándar, se presenta un aumento de este a medida que lo hace

la compactación, de igual manera que la media. Las desviaciones estándar obtenidas de las probetas

ensayadas con velocidad de ultrasonido poseen la misma tendencia que las desviaciones estándar

obtenidas de las probetas ensayadas a compresión no confinada, cabe señalar que las probetas que

presentan mayor dispersión en sus resultados poseen un mayor valor de desviación estándar, es decir,

las probetas compactadas al 90% poseen un rango más amplio en lo resultados obtenidos de la

resistencia a la compresión no confinada (ver tabla1), lo cual provoca que su valor de desviación

estándar sea mayor, tanto para los resultados obtenidos con velocidad de ultrasonido y el ensayo de


Al graficar los resultados de resistencia a la compresión no confinada obtenidas por ambos métodos, es

posible advertir que las probetas compactadas al 85% poseen un coeficiente de correlación de 0,698, lo

cual indica que la asociación existente entre las resistencia a la compresión no confinada obtenida con

velocidad de ultrasonido y el ensayo de compresión no confinada poseen una correlación positiva

Tabla 2.Medias y Desviaciones Estándar de los datos obtenidos de la resistencia a la compresión no

confinada empleando el equipo Pundit Lab+ y el ensayo de compresión no confinada. (Fuente Propia).


17

moderada, es decir que la fuerza y la dirección de la reacción lineal existente entre ambos resultados no

es muy alta. Sin embargo las probetas compactadas al 85% y 90%, poseen un coeficiente de correlación

de 0,913 y 0,938, respectivamente, lo cual representa una correlación entre los resultados positiva muy

alta (ver figura 3).

Cabe señalar que las probetas compactadas al 90% poseen el mayor valor de coeficiente de correlación,

lo cual se condice completamente con las distribuciones y similitudes presentes en los resultados

registrados por ambos métodos.

Figura 3.Gráficos de resistencia a la compresión no confinada obtenido con velocidad de ultrasonido V/S

resistencia a la compresión no confinada obtenido con el ensayo de compresión no confinada, para cada grado de

compactación. (Fuente Propia).


18

4.2 Análisis de los resultados obtenidos del Módulo de Elasticidad

Los módulos de elasticidad obtenidos empleando velocidades de ultrasonido presentan un rango de

valores mucho más ajustados que los resultados obtenidos con el ensayo de compresión no confinada,

por ejemplo, si observamos los resultados del módulo de elasticidad obtenidos para las probetas

compactadas al 80% (ver tabla 3), podemos advertir que los resultados registrados por velocidades de

ultrasonido solo se encuentran dentro del rango de 4,26 (MPa) a 4,91 (MPa), el cual se amplia de

3,03(MPa) a 5,03 (MPa) cuando los resultados son obtenidos con el ensayo de compresión no

confinada, cabe señalar que esta tendencia se replica en las probetas compactadas al 80% y 90% .

Sin embargo, las medias obtenidas por ambos métodos poseen la misma tendencia, es decir, para las

probetas compactadas al 80% las medias se encuentran en los rangos de los 4 (MPa), para las probetas

al 85% de compactación la tendencia es de los 5 (MPa) y en cambio para las probetas compactadas al

90% las medias se encuentran en los 6 (MPa), cabe señalar que las medias de los resultados obtenidos

con velocidades de ultrasonido son mayores que la media obtenida con el ensayo de compresión no

confinada (ver tabla4).

Tabla 3.Resultados del Módulo de Elasticidad obtenidos con velocidad de ultrasonido y el ensayo de

compresión no confinada. (Fuente Propia).


19

Los módulo de elasticidad registrados por ambos métodos aumentan en conjunto con el grado de

compactación, lo cual es completamente congruente con las características presentes en cada grupo de

probetas, debido a que a menor índice de vacío; mayor nivel de compactación, lo cual provoca un

aumento en la resistencia a la tensión aplicada, originando un módulo de elasticidad mayor.

Los valores de desviación estándar obtenidos mediante el ensayo de compresión no confinada son

mayor a las desviaciones estándar obtenidas con velocidades de ultrasonido, lo cual se condice

completamente con la dispersión presente en cada grupo probetas (ver tabla 3), donde las probetas

compactadas al 85% poseen la mayor desviación estándar obtenida con los módulos de elasticidad

registrados del ensayo de compresión no confinada (ver tabla 4). Sin embargo las probetas

compactadas al 90% presentan la mayor desviación estándar obtenida con los módulos de elasticidad

registrados con la velocidad de ultrasonido.

Al graficar los resultados de los módulos de elasticidad obtenidas por ambos métodos, es posible

advertir que las probetas compactadas al 85% poseen un coeficiente de correlación de 0,661, siendo el

menor valor obtenido, lo cual indica que la asociación existente entre las módulo de elasticidad

obtenida con velocidad de ultrasonido y el ensayo de compresión no confinada poseen una fuerza y

dirección de la reacción lineal muy baja, es decir una correlación positiva moderada. Sin embargo las

probetas compactadas al 85%, poseen un coeficiente de correlación positiva alta y las probetas

compactadas las 90% poseen un coeficiente de correlación muy alta, siendo este el mayor valor

obtenido (ver figura 4), lo cual se condice completamente con las distribución presente en los

resultados registrados por ambos métodos.

Tabla 4.Medias y Desviaciones Estándar de los datos obtenidos del Módulo de Elasticidad empleando

velocidad de ultrasonido y el ensayo de compresión no confinada. (Fuente Propia).


20

4.3 Validación Estadística

En este ítem se pondrán a prueba los resultados, con la finalidad de rechazar o aceptar aquellos

resultados obtenidos de resistencia a la compresión no confinada y modulo de elasticidad empleando

velocidad de ultrasonido según el criterio “Prueba de hipótesis sobre la igualdad de dos medias,

varianzas conocidas”.

Para los valores de resistencia a la compresión no confinada se aprobó la hipótesis nula la cual

menciona que el promedio de qu obtenido por el ensayo de compresión no confinada es igual al

promedio de los valores de qu obtenidos por velocidades de ultrasonido y la cantidad de ensayos para

poder validar la hipótesis (H1) es de 10 ensayos. De igual manera se aprobó la hipótesis nula para los

valores del módulo de elasticidad, ocupando 10 ensayos para poder validar la hipótesis nula.

Figura 4.Gráficos del Módulo de Elasticidad obtenido con velocidad de ultrasonido V/S del Módulo de

Elasticidad obtenido del ensayo mecánico, para cada grado de compactación. (Fuente Propia).


21

5. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

5.1 Conclusiones

Tras el análisis de los resultados obtenidos de resistencia a la compresión no confinada y módulo de

elasticidad, mediante velocidad de propagación de ultrasonido, empleando el equipo Pundit Lab+, se

concluye que es posible obtener resultados confiables que se ajustan a los valores obtenidos del ensayo

de compresión no confinada, los cuales poseen una diferencia que no supera el 2%.

Al construir las probetas en laboratorio, se determina que en esta oportunidad no es posible construir

probetas con un grado de compactación inferior al 80%, debido a que la cantidad de material de las

capas es bajo y no es posible compactarlas.

Además, a partir de ensayos preliminares se concluye que no es posible determinar la velocidad de

propagación de ultrasonido en probetas con un contenido de humedad superior a un 27%, debido a que

la absorción de la onda de propagación de ultrasonido en el medio aumenta a medida que lo hace la

humedad, y es por ello que se trabajo con humedades cercanas a la humedad óptima de un 21,17%.

Para poder obtener resultados de resistencia a la compresión no confinada más precisos y ajustados a

los rangos de los resultados registrados en el ensayo de compresión no confinada, se deben trabajar

todos los valores de resistencia a la compresión no confinada multiplicados por diez en el momento de

crear las curvas de conversión, debido al rango de funcionamiento del equipo Pundit Lab+.

Cabe señalar que el software Punditlink no permite trabajar con rangos de velocidades inferior a 100

(m/s), lo cual condiciona a crear la curva de conversión en el rango de velocidades entre 0 a 100 (m/s).

La tendencia predominante en los resultados, tanto en los gráficos de resistencia a la compresión no

confinada y del módulo de elasticidad obtenida por ambos métodos, indica que a mayor nivel de

compactación menor es el grado de dispersión. O sea, el grado en el cual las variables están

relacionadas linealmente entre sí es mayor, para las probetas compactadas al 90%, las que alcanzan un

coeficiente de correlación muy alto, cercano al 66,67%.


22

5.2 Recomendaciones

I. Es preciso señalar que el alcance de los resultados correspondiente a los ensayos realizados al

material en estudio están acotados a la procedencia de él, vale decir, no es posible generalizar

para todos materiales finos y para todos los grados de compactación. Por tanto como primera

recomendación, se plantea realizar nuevos estudios que permitan esclarecer y generalizar la

obtención de los parámetros estudiados a diferentes tipos de suelos y grados de compactación,

logrando así ampliar el universo muestreal.

II. Además se recomienda realizar una línea investigativa que aclare la obtención de la resistencia

a la compresión y módulo de elasticidad en terreno, es decir en probetas inalteradas.

III. Para ampliar el campo de aplicación del uso de velocidades de ultrasonido en mecánica de

suelo, también se recomienda realizar una línea investigativa con el equipo Pundit Lab/Lab+,

para determinar otros parámetros, ya sea uniformidad del material, profundidad de grietas, entre

otros.


23

6. BIBLIOGRAFIA

A.GONZALEZ A.JAVIER. (2011) “Evaluación de Métodos No Convencionales de

Caracterización Geotécnica”. Facultad de Ingeniería. Universidad Javeriana, Bogotá.

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SOKOLOV, V. (1981): Centros nacionales de servicio bibliográfico y documentario. Akademia

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25

7. Anexo


26

7.1 Ensayos geomecanicos.

Descripción del material: Sector de Andalué

GRANULOMETRIA

NCH 165 of 77

Peso de la muestra seca : 519 (gr)

Abertura

(mm) Tamiz

Retenido Pasa (%)

Peso (gr) (%)

2 10 0,3 0,48 100

1 20 0,8 1,29 00,52

0,5 40 3,3 3,55 98,23

0,25 60 15,4 24,89 94,68

0,08 200 42,1 68,01 69,79

Residuo 1,1 1,79 1,78

AASHTO USCS

Clasificación A-7-6 (13) Clasificación CL

Humedad Natural

Capsula 3

Tara 4,9(gr)

Peso húmedo + Tara 56,7(gr)

Peso Seco+ Tara 48,7(gr)

Peso húmedo 51,8(gr)

Peso Seco 43,9(gr)

Peso Agua 8(gr)

Humedad 18,26(%)


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ENSAYO PROCTOR MODIFICADO

NCh 1534/2 Of.79

Densidad Seca

Punto N° 1 2 3 4 5

Humedad agregada (%) 18 20 22 24 26

Molde+suelo+agua (gr) 3371 3509 3594 3584 3576

Molde (gr) 1819 1819 1819 1819 1819

Suelo+agua (g) 1552 1690 1775 1765 1757

Suelo (g) 1273 1352 1385 1341 1300

Densidad Seca (gr/cm3) 1428 1481 1506 1443 1400

Humedad del molde (%) 15,53 18,60 21,17 23,30 25,7

D.M.C.S V/S Porcentaje de Humedad

D.M.C.S (Kg/cm3) Humedad óptima (%)

1506 21,17


28


DETERMINACION DEL LIMITE LIQUIDO Y LIMITE PLASTICO

NCH 1517. Of 79

Limite Liquido Limite Plástico

Ensayo N° 1 2 3 4 5 1 2 3

Capsula N° 29 13 12 5 11 14 7 8

N° de golpes 14 19 22 26 30 - - -

Peso del

suelo+S.humedo(gr) 30,3 29,1 26,1 31,2 30,2 26,8 30 30,5

Peso capsula+suelo seco

(gr) 27,7 27,1 25 28,6 28,1 26,2 28,8 29,2

Peso de la Capsula(gr) 22,6 22,9 22,6 22,6 22,9 24 24 24,2

Peso del agua 2,6 2 1,1 2,6 2,1 0,6 1,2 1,3

Peso del suelo seco (gr) 5,1 4,2 2,4 6 5,2 2,2 4,8 5,1

Humedad (%) 51 47,6 45,8 43,3 40,4 27,3 25 25,5

PROMEDIO 26

CURVA DE FLUIDEZ

Limite Liquido (%) Limite Plástico (%) Índice de Plasticidad (%)

46 26 20


29

7.2 Equipo Pundit Lab+

A continuación se describen brevemente cada uno de los componentes y el montaje experimental

propuesto, el cual fue resultado de la optimización del diseño que se encuentra normalmente en la

literatura.

7.2.1 Generador de pulsos

La unidad generadora de pulsos que se utilizo en esta investigación es el generador de pulsos

ultrasónico Pundit Lab+ el cual es de tipo electrónico y con voltaje externo o amplificadores de

potencia; la salida de voltaje es de forma rectangular o sinusoidal. Este generador posee una salida de

voltaje con un valor máximo de la amplificación de 50 V dentro de una carga de impedancia de 50.

7.2.2 Transductores

Los transductores de emisión y receptor de ondas transversales empleados fueron los de 24 KHz. El

transductor emisor recibe la energía eléctrica y la convierte en energía mecánica, la cual pasa a través

del medio en forma de ondas elásticas acústicas, y luego es recibida por un transductor receptor que

nuevamente la convierte en energía eléctrica para cerrar el circuito

Equipo Pundit Lab/Lab+, instrumento ultrasónico. (Proceq).

Transductores del equipo Pundit Lab/Lab+,

instrumento ultrasónico. (Fuente Propia).


30

7.2.3 Probetas

Las probetas que se utilizaron en esta investigación fueron cilíndricas (dimensiones 10(cm) de alto y 5

cm de diámetro), con ambas caras planas y fabricadas con suelo cohesivos (arcilla orgánica de baja

plasticidad), donde se fueron variando el grado de compactación (80%,85% y 90%) y de humedad

optima, se ensayaron respectivamente 10 probetas gemelas para cada grado de compactación y por

ambos métodos (MND y MD).

Probetas de arcilla inorgánica de baja plasticidad.

(Fuente Propia).


31

7.3 Curvas de conversión.

7.3.1 Tabla de datos de la curva de conversión.

Depuración datos de probetas compactadas al 80%




32

7.3.2 Curvas de conversión obtenidas con el Punditlink.

Curva de conversión- Probetas compactadas al 80%.



33



34

7.4 Calculo estadístico.

Para la validación estadística realizada en este estudio, se asumen los siguientes valores e hipótesis:

Valor de significancia (): 0,05

Probabilidad de ocurrencia de hipótesis 1:90%

Hipótesis Nula: H0: n=1, 2,3

Hipótesis H1:1> n, 2> n, 3> n,

7.4.1 Prueba de hipótesis para la Resistencia a la compresión no confinada.

% de compactación 80% 85% 90%

qu Mecánico (promedio) 0,124 0,151 0,214

qu ultrasonido(promedio) 0,126 0,153 0,216

Desv. Estándar qu mecánico 0,01392 0,02332 0,03304

Desv .Estándar qu ultrasonido 0,01265 0,02870 0,03204

Z0 0,290 0,135 0,113

Resultado de la hipótesis nula Aprobada Aprobada Aprobada

7.4.2 Prueba de hipótesis para el Módulo de elasticidad (E).

% de compactación 80% 85% 90%

E Mecánico (promedio) 4,497 5,629 6,791

E ultrasonido(promedio) 4,551 5,373 6,867

Desv. Estándar E mecánico 0,6085 0,7558 0,6014

Desv .Estándar E ultrasonido 0,3292 0,2880 0,3992

Z0 0,25 0,398 0,221

Resultado de la hipótesis nula Aprobada Aprobada Aprobada


35

7.4.3 Tabla de Distribución Estándar


36

7.4.4 Curva de operación para : 0,05


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7.5 Resultados ensayos de Compresión no confinada.

7.5.1 Probetas compactadas al 80%


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