Geofísica Aplicada a la Ingeniería Civil

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Marzo, 2012

HGSE: San Martin de Porres–Lima, Teléf.: 511- 7259396 / 511- 993762965 La Molina–Lima, Teléf.: 511- 3499075 / 511- 965331926

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1. LA GEOFÍSICA

La Geofísica es la ciencia que

estudia los campos físicos

vinculados a nuestro planeta.

Estudia la Tierra mediante métodos

de la física, de manera indirecta.

• Geofísica Pura

• Geofísica Aplicada

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2. GEOFÍSICA PURA

Proporciona información

para el estudio de la

estructura y composición del

interior de la Tierra mediante

métodos de la física, a fin de

conocer su evolución y

características actuales.

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3. GEOFÍSICA APLICADA

Es la aplicación de la geofísica y los métodos geofísicos que permiten efectuar un

diagnóstico de la constitución del subsuelo por interpretación de los registros

geofísicos obtenidos en campo.

Downhole,

Crosshole, Uphole Refracción, MAM,

Reflexión, MASW

Tomografía Eléctrica,

SEV, Calicatas

Eléctricas

SASW

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• GEODE

• GEOTRADE

• SYSCAL PRO

• ES3000

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Equipos

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3. GEOFÍSICA APLICADA

4. IMPORTANCIA DE LA GEOFÍSICA APLICADA

• Contribuye a la investigación

de lo que está oculto con el fin

de aportar algo de “luz” al

“oscuro” ambiente que es el

subsuelo.

• Su aporte es muy útil para

numerosos especialistas

(contribución multidisciplinar).

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5. GEOFÍSICA APLICADA – ETAPAS Y DE DESARROLLO DE LABORES

Los especialistas que

llevan a cabo las

investigaciones en base

a la prospección

geofísica llevan a cabo

diferentes etapas de

desarrollo de labores

técnicas y científicas.

• Información sobre la zona de

trabajo.

• Selección del método geofísico más

adecuados.

• Campaña de adquisición de datos

del subsuelo.

• Procesado de los datos adquiridos.

• Integración de toda la información

e interpretación de los resultados.

• Redacción del informe final.

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5.1. Información Sobre la Zona de Trabajo

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• Geológico

• Logístico

5.2. Selección del método geofísico

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Según el Objetivo:

• Bondades y Limitaciones de los métodos geofísicos.

• Determinado por el cliente o por el consultor.

5.3. Campaña de Adquisición de Datos

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• La calibración de los aparatos

• La implantación de los dispositivos

• Base geológica del especialista

• La medición y la comprobación

Geotrade

SmartSeis StrataVisor

Geode

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5.3. Campaña de Adquisición de Datos

• La medición y la comprobación (calidad de la información).

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5.4. Procesado de los datos

TM 1

TM 2

TM 3

5.5. Integración de Toda la Información e Interpretación de los Resultados

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5.5. Integración de Toda la Información e Interpretación de los Resultados

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6. CONOCIMIENTOS QUE APORTA LA GEOFÍSICA

Aporta información de gran importancia para diferentes disciplinas, información necesaria para complementar los datos que se obtienen en la superficie. Se trata de información muy variada del subsuelo debido a que procede de prospecciones muy diferentes. Para que la geofísica pueda aportar esta información de gran ayuda para diferentes disciplinas necesita que esta ayuda sea mutua, para poder interpretar los datos con mayor precisión y, consecuentemente, facilitar resultados con mayor aporte.

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6. CONOCIMIENTOS QUE APORTA LA GEOFÍSICA

El aporte de información “a ciegas” por parte de la geofísica suele ser un método habitual, porque no existe información previa o porque no se dispone de ella. Mas aún, resulta perjudicial pensar en que debe ser la geofísica la que aporte la información “sin ayuda externa”.

LEVANTAMIENTO DE DATOS

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7. MÉTODOS GEOFÍSICOS DE PROSPECCIÓN

• Realizados a lo largo del terreno, a pié o con auxilio de vehículo.

• Equipos operados por uno o más operadores (equipo de campo).

7.1 Levantamiento Terrestre

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• Geofísica marina.

• Mar, ríos, lagos, presas.

• Embarcaciones de diferentes dimensiones.

• Sensores colocados en la embarcación o sobre remolque.

7.2 Levantamiento Marino

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7.3 Levantamiento Aéreo

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• Aerogeofísica o geofísica aérea.

• Aviones, helicópteros - equipos colocados

a bordo o sobre remolque (pájaro) .

• No existen métodos sísmicos, eléctricos y

geotérmicos.

8. PRINCIPALES USOS DE LA GEOFÍSICA

a) - Geología e Hidrogeología

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b) - Exploración de recursos minerales

c) – Ingeniería Civil / Minería

d) – Medio Ambiente

e) – Militar / Forense

f) - Arqueolgía y Paleontológia

G) - Agricultura de Precisión

Multidisciplinario

Los principales métodos geofísicos usados para prospección e investigación son:

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9. MÉTODOS GEOFÍSICOS DE PROSPECCIÓN

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Métodos Geofísicos Propiedades Físicas

Gravimétrica Gravedad, Densidad

Magnetometría Susceptibilidad Magnética

Eléctricos y Eletromagnéticos

Condutividad Eléctrica (resistividad)

Radiometría o Gamaespectometría

Radiactividad

Sísmica (refración/refleción)

Elasticidad

Geotermia Conductividad térmica

9.1 Métodos Geoeléctricos de Prospección

Métodos Eléctricos:

Sondeo Eléctrico Vertical (SEV)

Calicata Eléctrica (CE)

Polarización Inducida (PI)

Tomografía Eléctrica (TE)

Potencial Espontaneo (PE)

Métodos Electromagnéticos:

Sondeos Electromagnéticos

Georradar (GPR)

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9.1 Métodos Geoeléctricos de Prospección

9.1.1 Sondeo Eléctrico Vertical (SEV)

Principal finalidad:

Averiguar la distribución

vertical en profundidad de

las resistividades aparentes

bajo el punto sondeado a

partir de medidas de la

diferencia de potencial en la

superficie.

Se apoya de dispositivos

electroditos tales como los

de Wenner , Schlumberger y

otros.

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Dispositivos electroditos de mayor uso:

Dipolo-Dipolo

Polo-Dipolo

Wenner

Schlumberger

Wenner-Schlumberger

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Dispositivos Electródicos

Aplicaciones más comunes:

Estudios para la localización de aguas subterráneas.

Investigaciones tectónicas para la búsqueda de petróleo.

Estudios para investigaciones geológicas.

Estudios para agricultura de precisión.

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Estudios para la localización y cubicación aproximada de materiales de canteras.

Estudios de cimentación para ingeniería civil.

Localización de diversos materiales minerales.

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Valores de resistividad y conductividad de las rocas más comunes.

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3200

6.50


• El grado de saturación del terreno.

• La temperatura.

• La Porosidad y la forma de los poros.

• La salinidad del fluido.

• El tipo de roca.

• Los procesos geológicos que afectan a los materiales.

• La presencia de materiales arcillosos.

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SEV - Factores que Afectan la Resistividad

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SEV - Limitaciones

Limitaciones:

• La interpretación puede ser ambigua.

• La interpretación es limitada a configuraciones estructurales simples (idea general de la estructura).

• La profundidad de penetración del método está limitada por la potencia eléctrica que puede ser introducida en el suelo.

La base teórica de su funcionamiento es análoga al de los métodos de resistividad convencionales (dispositivos electroditos). El método se basa en la implantación de numerosos electrodos a lo largo de perfiles, con una separación determinada que viene condicionada por el grado de resolución, profundidad y los objetivos que se pretendan cubrir, de tal modo que, a menor separación mayor resolución y a mayor separación mayor profundidad.

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9.1.2 Tomografía Eléctrica (TE)

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Mediciones del nivel 1 con arreglo tipo Wenner.

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Tomografía Eléctrica (TE) - Dispositivo Wenner

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TE - Dispositivo Wenner-Schlumberger

Niveles de la tomografía tipo Schlumberger.

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Cambios en la estructura del subsuelo.

Identificación de rocas alteradas.

Inspeccionar Fugas y Filtraciones.

Evaluar la Contaminación de Acuíferos.

Localización de túneles, galerías o huecos, zonas kársticas .

Determinación de restos arqueológicos.

TE - Aplicaciones

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TE - Procesamiento

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Sección de Resistividad. Variación de la Resistividad Real en profundidad a lo largo de la línea de estudio.

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Secciones de Interpretación. Mapeo de la posible estratigrafía del suelo y las zonas anómalas.

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TE - Interpretación

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SEV - Ejemplo 1

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SEV - Ejemplo 1

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SEV - Ejemplo 2

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SEV - Ejemplo 2

TE – Ejemplo 1

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41 HGS Engineering: 511- 3499075/ 511- 993762965/ 511- 965331926

www.hgsee.com TE – Ejemplo 1

42 HGS Engineering: 511- 3499075/ 511- 993762965/ 511- 965331926

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TE – Ejemplo 1

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Grieta 1 Grieta 2 Grieta 3

Longitud (m) 105 100 110

Profundidad (m) 15-45 15-45 15-45

Abertura (cm) 10-15 5-7 5-7

Inclinación (°) 28-32 28-32 28-32

La profundidad se incremente de

Oeste a Este.

TE – Ejemplo 1

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TE – Ejemplo 2

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45 HGS Engineering: 511- 3499075/ 511- 993762965/ 511- 965331926

TE – Ejemplo 2 www.hgsee.com

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Grieta 4

Longitud (m) 80

Profundidad (m) 18

Abertura (cm) 10-15

Inclinación (°) 2

TE – Ejemplo 2

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9.2 Métodos Sísmicos de Prospección

Métodos Sísmicos:

Refracción Sísmica

Reflexión Sísmica

Down Hole

Up Hole

Cross Hole

MASW

MAM

SASW

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9.2 Métodos Sísmicos de Prospección

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Arribo de ondas sísmicas

Este método consiste en la

medición de los tiempos de viaje

de las ondas de compresión

(Ondas P) generadas por una

fuente de energía impulsiva a

unos puntos localizados a

distancias predeterminadas a lo

largo de un eje sobre la superficie

del terreno. Método de Refracción Sísmica.

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9.2.1 Refracción Sísmica (RS)

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En este método, la profundidad de investigación (h) es

directamente proporcional a la longitud de la línea extendida (L)

en el terreno, con una relación de aproximadamente 1/4 a 1/3.

Las ondas grabadas son producto de refracciones de

discontinuidades del medio.

Una condición importante para la aplicación y validez del

método, es que la velocidad de propagación de las ondas

aumente con la profundidad (V1<V2<V3...).

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RS – Profundidad de Investigación

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• Ingeniería civil (fundación de diques, puentes, presas, …..), trabajos medioambientales y otros.

• Ingeniería geotécnica, para determinar la profundidad de la roca dura, el grado de meteorización y competencia de la roca dura.

• Prospección en actividades mineras, ya sea en rocas ígneas, metamórficas o sedimentarias.

• En arqueología (ruinas enterradas).

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RS - Aplicaciones

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• En distintos tipos de suelos o rocas pueden tener velocidad de propagación semejantes (interpretación ambigua). Para resolver la incertidumbre es necesario contar con información geológica o geotécnica adicional.

• No es posible detectar estratos cubiertos con otros de mayor velocidad de propagación de ondas.

• La distancia entre los sensores controla la precisión con que se puede evaluar el espesor de los estratos.

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RS - Limitaciones

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Tendido de Cables y Registros de Ondas Sísmicas.

RS - Campo

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54 HGS Engineering: 511- 3499075/ 511- 993762965/ 511- 965331926

Impacto (shot) con martillo.

Impacto (shot) con caída de pesa.

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RS – Campo

55 HGS Engineering: 511- 3499075/ 511- 993762965/ 511- 965331926

Registro de ondas sísmicas.

Domocrónica.

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RS - Procesamiento

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Perfil Sísmico

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RS – Procesamiento e Interpretación

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Este método consiste en la interpretación de las ondas superficiales (Ondas Rayleigh) de un registro en arreglo multicanal, generadas por una fuente de energía impulsiva en puntos localizados a distancias predeterminadas a lo largo de un eje sobre la superficie del terreno, obteniéndose mediante procesos de inversión numérica, el perfil de velocidades de ondas de corte (Vs) para el punto central de dicha línea.

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9.2.2 Multichannel Analysis Of Surface Waves (MASW)

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Vr = (90% a 95%)VS

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9.2.2 Multichannel Analysis Of Surface Waves (MASW)

Fuente de energía, registro sísmico con ondas superficiales , curva de dispersión sobre un diagrama de frecuencia velocidad.

Modelo de velocidad de ondas S obtenido a partir de la inversión de esta curva de dispersión.

MASW 2D - Curva de Dispersión

Evaluación de viviendas construidas sobre materiales de rellenos.

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MASW 2D - Modelo Bidimensional de Ondas de Corte

Evaluación de viviendas construidas sobre materiales de rellenos.

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Mediante el perfil de las ondas de corte Vs se pueden realizar:

• Evaluación del riesgo sísmico de un área

• Análisis de licuación

• Control de compactación de suelos

• Mapeo del subsuelo

• Estimación de los parámetros dinámicos de los materiales (Poisson, mod. Corte, mod. elástico)

• Espesor de pavimentos, entre otros.

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MASW - Aplicaciones

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9.2.3 Método Sísmico Down Hole

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Vp

Vs

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9.2.3 Método Sísmico Down Hole

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Aplicaciones típicas de downhole mediante el registro de velocidades de ondas P y S.

• Investigaciones de seguridad de presas.

• Estudios de respuesta sísmica de estribos de puentes, presas, edificios, etc.

• Estudio de cimentaciones.

• Medición de las propiedades del suelo / roca (módulo de corte, módulo de volumen, compresibilidad y el coeficiente de Poisson).

• Velocidad de control para los estudios de reflexión sísmica.

Downhole Aplicaciones

GEOFÍSICA APLICADA A PROBLEMAS GEOTÉCNICOS

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10. GEOFÍSICA APLICADA A PROBLEMAS GEOTÉCNICOS

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A. Espesor de la Capa Superficial del Terreno

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Importancia:

• Determinar la posición del contacto entre la capa superficial y terreno resistente.

• Dato imprescindible para abordar estudios de estabilidad y riesgos geológicos.

• En estudios de cimentaciones, la posición de contacto es de gran importancia para definir el tipo de cimentación a emplear (superficial o profunda).

• La excavación del terreno superficial puede realizarse empleando medios mecánicos o explosivos. Con la determinación de su espesor y calidad se podrá elegir el modo de excavación (excavabilidad - Ripabilidad).

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• Posición del contacto. Refracción sísmica o tomografía eléctrica.

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Excavabilidad del terreno superficial. Con la determinación de su espesor y calidad se podrá elegir el modo de excavación (corte con equipo mecánico o voladuras).

Ripador

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600 m/s

400 m/s

800 m/s

1200 m/s

Corte transversal para estudiar la excalabilidad del terreno

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B. Parametros Geotécnicos del terreno

Parámetros Dinámicos

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Clasificaciones geomecánicas del terreno (calidad geotécnica). Se emplea con gran frecuencia el Índice Q de Barton.

Para granitos y neises de buena calidad:


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Relación entre la velocidad de las Ondas P y la densidad de los terrenos que atraviesa. Según Gardner (1974), para rocas sedimentarias se verifica la siguiente relación empírica:


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Wyllie (1958), porosidad de una arenisca.


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Grado de fracturación de la roca Ignea. Helfrich (1971), existe una relación entre la velocidad de las ondas P y el índice de fracturación RQD (Rock Quality Designation), válida para rocas ígneas:


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Merkler (1970), para el RQD existe una expresión más general:


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Estabilidad de Taludes

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Evaluación de Grietas

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Presas de Relaves

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GEOFÍSICA APLICADA ALA

INGENIERÍA CIVIL

Marzo, 2012

Roberth Aguilar Ch., MSc. Eng.

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Geofísica Aplicada a la Ingeniería Civil