U N I V E R S I D A D D E S A N C A R L O S D E G UAT E M A L A .FA C U LTA D D E I N G E N I E R Í A .E S C U E L A D E P O S T G R A D O.I N G E N I E R I A G E O T É C N I C A .

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I N G E N I E R O C I V I L , M . S C . V Í C T O R M A N U E L L Ó P E Z J UÁ R E Z .

PRESAS DE HORMIGON TIPO GRAVEDAD

PRESAS DE GRAVEDAD

I. DEFINICIÓN:

Una presa de gravedad de concreto tiene una sección transversal tal que con un tope estrecho, la presa esta parada libremente. Es decir tiene un centro de gravedad bastante bajo que la presa no se derribará sino es apoyada en los estribos. Las presas de gravedad requieren cantidades máximas de hormigón para su construcción comparado con otros tipos de presas de concreto, y se resisten a la dislocación por la presión hidrostática del depósito de agua.

Un sitio favorable por lo general es en una constricción en un valle donde la base está razonablemente cerca de la superficie tanto en el piso como en los estribos de la presa.

Las presas de mampostería que confiaron en su peso para la estabilidad contra el deslizamiento y volcadura remontan de 3000 a 4000 años, tanto cara de arriba como río abajo fueron inclinadas y el espesor de la base era muchas veces la altura.

En 1872 Rankine propuso que no había ninguna tensión extensible en una presa de gravedad. En 1895 Levy propuso que la tensión compresiva en el material de la presa en la cara corriente arriba sea mayor que la presión del agua en la profundidad correspondiente al depósito.

El peligro de la elevación había sido reconocido en 1882, y el peligro de deslizamiento fue destacado por el fracaso de la presa Austin, en Estados Unidos. El avance más reciente ha estado en el uso del método de elemento finito de análisis.

Es el tipo de muro más sencillo, se fundamenta en la resistencia que el propio peso de la obra opone al empuje de las aguas.

Su perfil es trapezoidal, y su base de cimentación, rectangular. El peso de la presa es notable y sirve para que, al componerse con el empuje y otras fuerzas, la resultante incida francamente en el interior de la base de la presa.

Adecuadas en valles amplios, desde que la excavación sea menor de 5 a 10 m. Se acepta desgaste limitado de la roca. Deben chequearse las discontinuidades de la roca con relación al deslizamiento. Tienen bajos esfuerzos de contacto.

Requieren de materiales que a veces toca importar como el cemento.

II. FUNDAMENTO TEORICO

1) PARTES DE UNA PRESA:

Partes que componen una represa:

-El embalse: es el volumen de agua que queda retenido por la presa.

-El vaso: es la parte del valle que se inunda y contiene el agua embalsada.

-La cerrada: es el punto concreto del terreno donde se construye la presa.

-La presa: es el muro que debe soportar el empuje del agua y no permitir la filtración del agua hacia abajo.

En la presa se destacan:

-Los paramentos: el interior, que está en contacto con el agua, y el exterior.

-La coronación: es la superficie que delimita la presa superiormente.

-Los estribos: los laterales, que están en contacto con las paredes de la cerrada.

- La cimentación: la superficie inferior de la presa, a través de la cual descarga su peso al terreno.

- El aliviadero o vertedero: es una estructura que permite descargar agua excedente cuando la presa se llena.

-Las tomas: son también estructuras hidráulicas pero de mucha menos entidad y son utilizadas para extraer agua de la presa para un cierto uso, como puede ser abastecimiento a una central hidroeléctrica o a una ciudad.

- La descarga de fondo: permite mantener el denominado caudal ecológico aguas abajo de la presa.

- Las esclusas: que permiten la navegación "a través" de la presa.

2) COMPORTAMIENTO DE LA PRESA DE GRAVEDAD

Son todas aquellas en las que su propio peso es el encargado de resistir el empuje del agua. El empuje del embalse es transmitido hacia el suelo, por lo que éste debe ser muy estable capaz de resistir, el peso de la presa y del embalse. Constituyen las represas de mayor durabilidad y que menor mantenimiento requieren.

La razón por la que existe una diferencia notable en el grosor del muro a medida que aumenta la altura de la presa se debe a que la presión en el fondo del embalse es mayor que en la superficie, de esta forma, el muro tendrá que soportar más fuerza en el lecho del cauce que en la superficie.

El cuerpo de las presas de hormigón, se compone de cemento, piedras, gravas y arenas, en proporciones variables según el tipo de estructura y las partes de las mismas que se trate. La particularidad de este material, que le permite adoptar complejas formas una vez fraguado, da la posibilidad de optimizar la forma y, por lo tanto disponer el peso de una manera tal que sea mayor la capacidad de la presa en su conjunto para resistir el empuje.

El diseño de cualquier presa se puede resolver solo si se consideran tres condiciones fundamentales: garantía de su estabilidad, control de filtraciones y disipación de la energía en exceso del chorro vertido por la presa.

Perfil teórico. Las primeras presas de concreto se construyeron con perfiles bastante pesados de forma trapezoidal. Este perfil se fue desarrollando con el tiempo hasta llegar a un perfil triangular que resulta mas económico y que es el usado en la actualidad. Este perfil teórico se convierte en un perfil práctico al tener en cuenta algunas inclinaciones y correcciones determinadas por las condiciones de trabajo y estabilidad de las presas.

El vértice del triángulo del perfil teórico se coloca al nivel normal del agua. El francés Maurice Levy fue el primero en fijar los criterios que actualmente se siguen para el diseño y basándose en el perfil triangular propuso una sencilla formulación para el dimensionamiento inicial de la presa. El perfil económico busca encontrar el ancho mínimo de la presa B. Este perfil sin embargo, debe satisfacer dos condiciones:

Primero, que no haya esfuerzos de tracción en el concreto y Segundo, que haya una suficiente estabilidad de todo el cuerpo de la presa al corrimiento por la cimentación.

UNA PRESA DE GRAVEDAD SERÁ:

-Segura contra volcadura en cualquier plano horizontal dentro de la presa.

-Segura contra deslizamiento en cualquier lugar horizontal dentro de la presa.

-Tan proporcionada que las tensiones aceptables tanto en el hormigón como en la fundación no serán excedidas.

CRITERIO DE CARGA:

Dentro de las cuales se encuentran:

-La roca que constituye la fundación y estribos en el sitio es bastante fuerte para llevar las fuerzas impuestas por la presa con tensiones bajo del límite elástico en todos los sitios a lo largo de los planos de contacto.

-El poder de porte de la estructura geológica a lo largo de la fundación y estribos es bastante grande para llevar las cargas totales impuestas por la presa sin los movimientos de roca de magnitud perjudicial.

- Las formaciones de roca son homogéneas y uniformemente elásticas en todas las direcciones, de modo que sus deformaciones puedan ser predichas satisfactoriamente por cálculos basados en la teoría de elasticidad, por medidas de laboratorio sobre modelos construidos de materiales elásticos, o por las combinaciones de ambos métodos.

-El flujo de la fundación se mece bajo las cargas sostenidas que son resultado de la construcción de la presa y el relleno del depósito suficientemente puede ser tenido en cuenta por usar un módulo algo inferior de elasticidad que de otra manera sería adoptado para el empleo en los análisis técnicos.

-La base de la presa es cuidadosamente encallada en las formaciones de roca a lo largo de las fundaciones y estribos.

-Las operaciones de construcción son conducidas para asegurar una obligación satisfactoria entre el hormigón y materiales de roca en todas las áreas de contacto a lo largo de la fundación y estribos.

-El concreto en la presa es homogéneo en todas las partes de la estructura.

- El concreto es uniformemente elástico en todas las partes de la estructura.

- La distribución de las cargas en presas de mampostería pueden ser determinadas por la traída de las deflexiones calculadas de los diferentes sistemas de transferencia de carga de acuerdo con todos los puntos conjugados de la estructura.

3) CONSIDERACIONES GENERALES PARA LA UBICACIÓN DE LA PRESA

-Consideraciones topográficasLa presa debe tener la menor longitud posible, lo cual se logra ubicándola en cañones estrechos. En este caso la presa resultante suele ser de mayor altura para lograr el embalsamiento necesario que si se ubica en valles amplios. Cañones estrechos también dificultan la desviación del cauce para la construcción de las obras resultando que las ataguías y conducciones son más costosas y difíciles de construir. Es conveniente ubicar la toma de agua en la parte externa de la curva del cauce en caso de que la presa se sitúe en un tramo curvilíneo. Un valle amplio permite la construcción de las obras en etapas. Si existe un rápido en el cauce, resulta mejor localizar la presa aguas arriba de él, en zonas de más bajas pendientes. En cauces navegables, la presa debe tener la longitud suficiente para ubicar el vertedero, las esclusas de navegación, y las escalas para peces.

- Consideraciones geológicasLa ubicación de la presa se fija por la necesidad de aprovechar una buena cimentación o estribación. Así mismo, se requiere estabilidad de las laderas del embalse creado.

- Consideraciones hidrológicasLa disposición rectilínea de la presa se usa cuando con ella se logra suficiente longitud del vertedero pues da menor longitud y menores costos. En caso contrario se puede pensar en alineamientos curvos, tipo abanico, que permiten tener longitudes del frente vertedero mayores y así poder disminuir la carga de agua sobre la estructura y disminuir altura total de presa.

- Consideraciones hidráulicasEl sitio escogido debe facilitar la desviación del cauce durante la construcción de las obras y la derivación del río durante la operación del proyecto. Si el cauce es navegable, la presa debe tener la longitud suficiente de forma que se pueda ubicar el vertedero y las esclusas.

- Consideraciones estructuralesLa disposición curva de la presa aumenta la distribución de los esfuerzos hacia los estribos pero resulta más difícil constructivamente.

- Consideraciones generalesSe busca ubicar la presa próxima al sitio de suministro. Esto no siempre es conveniente. Por ejemplo:

la altura de carga sobre las turbinas puede mermar a medida que se acerca la presa a la casa de máquinas. Para compensar esto, tocaría aumentar la altura de la presa. Cuando la solución no es obvia, se requiere hacer la comparación técnica y económica considerando aspectos tales como la altura de la presa, la longitud, tipo y dimensiones de la conducción, pérdidas de carga y altura depresión disponible.

4) CIMENTACIÓN DE LAS PRESAS

Cimentación de las presas1) Presas sobre terreno impermeableUsualmente, se trata de presas cimentadas en roca o arcillas. Las filtraciones laterales y por la cimentación son despreciables al igual que el valor de la subpresión. El posible arrastre de partículas es un problema menor y no se presentan problemas de erosión, aumento del caudal filtrado, o problemas de inestabilidad. Las dimensiones dependen por tanto de los resultados del cálculo de estabilidad.

2) Presas sobre terreno permeableDebe distinguirse entre presas cimentadas sobre terreno rocoso y no rocoso.

2.1 Presas sobre fundaciones rocosasLas rocas constituyen la cimentación ideal para una presa. Si las presas se cimientan sobre roca sana resultan con valores de coeficientes de esbeltez bastante bajos y por ende muy económicas. Se puede lograr con ellas alturas considerables. El cuerpo de la presa como regla general está unido a la cimentación por las fuerzas de adherencia y su estabilidad se estudia como un complejo único: presa y cimentación. En muchos casos la infiltración en medios rocosos puede ser despreciada a menos que se trate de rocas muy fisuradas. Rocas fisuradas se ven sometidas a los esfuerzos de la presión del agua de filtración que antes de existir la presa no se presentaban. Al penetrar en las fisuras, aún en las más pequeñas, al agua produce una acción de cuña, ampliando los espacios, y disminuyendo la impermeabilidad. Esta acción de cuña del agua se hace notar gradualmente y a veces solo se manifiesta al cabo de los años. Realmente, la filtración en estos medios no está muy bien estudiada.

Dentro de las fundaciones en roca se distinguen dos tipos básicos:

· Fundaciones en rocas duras como granitos, dioritas, basaltos, diabasas, porfiritas, andesitas, gneis, cuarcitas, etc.. Merecen especial cuidado las piedras calcáreas, esquistos, calcitas y todas aquellas rocas constituidas por yeso, anhídridos y sal común, que pueden formar cavernas que se caracterizan por su poca resistencia a la acción del agua. Cuando están fuertemente fisuradas son peligrosas como fundaciones para estructuras de contención.

· Fundaciones semi-rocosas (argilitas, arcillolitas, margas, etc..). Estas formaciones tienen gran sensibilidad al agua y pueden presentar profunda meteorización.La preparación para cimentar la estructura de la presa consiste en abrir la excavación hasta las cotas fijadas, hacer el tratamiento de la superficie de la roca y su limpieza de basuras, suelos arcillosos, etc.. El mejoramiento de la base de fundación consiste en la cementación de las grietas y el relleno de los sitios débiles con concreto. Además para cambiar el régimen de filtración se recomienda implementar el drenaje de la fundación.

2.2 Presas sobre terreno no rocoso Las presas de concreto en fundaciones no rocosas se distinguen de las presas sobre fundaciones rocosas por su forma más extendida o sea menos esbelta y por su gran peso. Por ésto, en fundaciones no rocosas, resulta poco económico y frecuentemente imposible la construcción sobre ellas de presas altas de concreto, limitándose su altura a unos 50 m a no ser que sean presas de tipo flexible. En los suelos porosos se cumple la ley de Darcy. Los principales problemas en estos suelos se pueden derivar de su compresibilidad, asentamientos e infiltraciones.

Varios tipos de cimentaciones no rocosas se pueden distinguir:

a) Presas sobre suelos arcillosos: pueden sufrir asentamientos al consolidarse el suelo; el grado de compresibilidad depende de la humedad; con el aumento de la humedad su resistencia disminuye y se expanden; si se secan se contraen y producen asentamientos.Suelos arcillosos poseen un coeficiente de filtración pequeño.

b) Presas cimentadas sobre suelos tipo loes: requieren tomar medidas especiales de precaución como humedecimiento previo del suelo, adaptación de la propia construcción a posibles grandes asentamientos, etc..

c) Los suelos limosos y las turbas: se caracterizan por tener una excepcional compresibilidad.Para cimentar una presa en ellos, hay que tomar especiales medidas para su compactación.La construcción de presas de concreto sobre suelos limosos y turbosos resulta compleja. Son mas indicados como fundación para presas bajas flexibles.

d) Los suelos sueltos no cohesivos (gravas, arenas): la ausencia de cohesión, alta permeabilidad y ángulo de fricción interna alto, lleva a que la compactación se produce rápidamente una vez aplicada la carga. Sobre suelos de grava y guijarros se pueden construir presas de concreto hasta alturas de 30 a 40 m y sobre arenas hasta de 20 m y aún 30 m. Las presas de contrafuertes o aligeradas pueden ser una alternativa a las presas de concreto no aligeradas de tipo gravedad. Se pueden cimentar presas de baja presión en arenas sueltas (movedizas) siempre y cuando se sometan a fortalecimiento del suelo con inyecciones de compuestos químicos cerrando todo el complejo de la estructura mediante tablestacados. Las arenas ante cargas (dinámicas) vibratorias dan grandes asentamientos y llegan a un estado de licuefacción en que pierden toda su capacidad portante. En general, en terrenos no rocosos se presenta el problema de la filtración el que causa:

· Pérdida de agua en el embalse· Fuerzas de subpresión o presión ejercida por las fuerzas del agua filtrada bajo la estructura o en las juntas de la misma.· Erosión y lavado de partículas que conforman la fundación.· La salida del agua filtrada aguas abajo de la presa es casi vertical lo que puede ocasionar remoción de parte del suelo y por ende inestabilidades.· La filtración puede no ser solamente bajo la estructura pero también lateralmente presentándose:· Flujo a través de la zona alterada de los empotramientos· Flujo a través del cuerpo de la presa.· Flujo a través del cañón.

La parte del cimiento de la presa se lleva por debajo del nivel del lecho del río. Una vez seca y limpia de escombros, vegetación, y materia orgánica, la superficie del pozo de cimentación se procede a su nivelación. Las capas de material suelto se extraen y recogen. No se deben dejar desperdicios de materiales o implementos de trabajo. La superficie del suelo de fundación se puede recubrir con una capa de concreto (10 cm -15 cm), sobre la cual se funde el concreto de la presa.

El área de la fundación de la presa se debe limpiar totalmente removiendo todos los árboles, malezas, raíces, piedras, tierra vegetal, basuras, materiales permeables, etc.., hasta llegar a una capa de suelo resistente y adecuada. La superficie obtenida para la fundación deberá ser escarificada antes de comenzar a construir el terraplén.

-La cimentación debe proporcionar un apoyo estable para el terraplén en todas sus condiciones de carga y saturación.

-Debe tener resistencia a la filtración para evitar daños por erosión y pérdidas de agua.

-El área de fundación correspondiente a cauces de arroyos deberá ser limpiada, profundizada y ampliada hasta remover todas las piedras, grava, arena, y cualquier material indeseable. La limpieza de los cauces se efectúa profundizando de manera que los taludes de la excavación sean estables.

-Cuando se encuentre roca durante la preparación de la fundación, es importante que ésta quede perfectamente limpia removiéndose de su superficie toda costra o fragmento de roca. Para esta operación no se podrá emplear ningún tipo de explosivos.

-Es importante que se realice simultáneamente la preparación de la fundación y la excavación para la tubería de toma de agua de acuerdo con las pendientes y dimensiones mínimas indicadas en planos.

- En esta etapa de la construcción es importante tomar todas las previsiones para controlar el agua hasta que se concluya la obra.

5) FUERZAS ACTUANTES SOBRE LAS PRESAS DE CONCRETO

Sobre una presa actúan tres tipos de cargas: las cargas principales, las cargas secundarias y las cargas excepcionales.

1) LAS CARGAS PRINCIPALES: Son las que siempre actúan sobre la estructura y son tres:

- Carga de agua:Es debida a la distribución hidrostática de presión y tiene una resultante horizontal de la fuerza P1. También existe componente vertical en el caso de que el espaldón de aguas arriba tenga un talud y las cargas equivalentes aguas abajo operasen en el espaldón respectivo).

- Carga del peso propio:Se determina para un peso específico del material. Para un análisis elástico simple se considera que la fuerza resultante P2 actúa a través del centroide de presión

- Carga de infiltración:Los patrones de infiltración de equilibrio se desarrollarán dentro y por debajo de la presa, por ejemplo, en los poros y las discontinuidades, con una carga resultante vertical identificada como un empuje externo e interno.

2) LAS CARGAS SECUNDARIAS: Pueden ser temporales o no presentarse durante la vida útil de la obra. Estas fuerzas son:

- Carga de sedimentos:Los sedimentos acumulados generan un empuje horizontal, considerado como una carga hidrostática adicional.

- Carga hidrodinámica de ondas:Es una carga transitoria generada por la acción de las ondas sobre la presa (generalmente no es importante).

- Carga de hielo:Se puede desarrollar en condiciones climáticas extremas (generalmente no es importante).

- Carga térmica (presas de concreto):Es una carga interna generada por las diferencias de temperatura asociadas con los cambios en las condiciones ambientales y con la hidratación y enfriamiento del cemento.

- Efectos interactivos:Son internos, surgen de las rigideces relativas y las deformaciones diferenciales de una presa y su cimentación.

- Carga hidrostática sobre los estribos:Es una carga interna de infiltración en los estribos en una roca maciza. (Es de particular importancia en las presas de arco o de bóveda).

3) LAS CARGAS EXCEPCIONALES: Se presentan durante eventos extremos:

- Carga sísmica:las cargas inerciales horizontales y verticales se generan con respecto a la presa y al agua retenida debido a movimientos sísmicos.

- Efectos tectónicos:La saturación o las perturbaciones producidas por excavaciones profundas en rocas, pueden generar cargas como resultado de movimientos tectónicos lentos.

La decisión de considerar todas las cargas secundarias y excepcionales o una combinación de ellas depende de la experiencia del ingeniero diseñador, de la importancia de la obra, y de su localización.

Los diseños deben basarse en la más desfavorable combinación de condiciones probables de carga. Debe incluirse solo aquellas combinaciones de carga que tienen probabilidad razonable de ocurrencia simultánea.

6) COMBINACIÓN DE CARGASLas presas de gravedad deben ser diseñadas para una combinación adecuada de cargas que tengan en cuenta las condiciones mas adversas que tengan posibilidad de ocurrencia Simultánea. La siguiente tabla resume las combinaciones de carga propuestas productos de prácticas representativas en EUA y Reino Unido. Su uso no es limitante sino que cada ingeniero debe decidir a discreción las combinaciones de carga que mejor reflejen la situación de cada presa, incluyendo por ejemplo, carga muerta y embalse vacío.

7) INDICADORES MECANICOS DE LA PRESA

1. PÉNDULOSLos péndulos directos e invertidos se utilizan para la medida de movimientos horizontales en estructuras. Su fiabilidad, precisión y excelente comportamiento a largo plazo, los han hecho prácticamente imprescindibles para el control de desplazamientos horizontales en presas de hormigón.

- PÉNDULOS DIRECTOEl péndulo directo permite medir movimientos horizontales de la estructura relativos a su punto superior. Consta de un hilo de acero situado en un pozo vertical, anclado en su extremo superior a la estructura y en su extremo inferior a un peso con aletas inmerso en un depósito relleno de aceite. Esta disposición asegura la verticalidad del hilo.

2. MEDIDORES TRIDIMENSIONALES DE JUNTAS. DEFORMETROSPara estudiar los desplazamientos relativos entre bloques, en las intersecciones de las juntas que cortan a la galería de inspección, se utilizan medidores de juntas tridimensionales, también llamados deformetros. Utilizados para el control de juntas de dilatación en estructuras de hormigón, control de fracturas en rocas y en general aquellas obras como presas, puentes, etc.., en las que se requiere un control preciso de deformaciones.

3. CABEZALES DE DRENESLos drenes se utilizan normalmente para controlar las sub.-presiones en el cimiento de las presas. Dentro de la auscultación hidráulica es un dato esencial ya que permite conocer la eficacia de la red de drenaje y el comportamiento de la pantalla de impermeabilización y la ley de sub.-presiones en las secciones controladas.

Estos cabezales disponen de una llave de tres vías, con posiciones de cerrado (no permitiendo drenaje), abierto (drenando) y de lectura, de forma que cuando existe presión en el dren este efectúe la medida con un manómetro. Los tubos y piezas de unión hasta el tubo del dren son de PVC, cortados y acoplados a medida para llevar agua hasta la canaleta de la galería.

4. BASES GEODÉSICO-TOPOGRÁFICAS: Para control de movimentos en coronacion.

5. AUSCULTACIÓN HIDRÁULICA: El aforador de filtraciones es, sin duda, el mejor indicador del comportamiento general de la presa. Su importancia reside en el hecho de que la filtración es una magnitud integral y, por tanto, refleja el comportamiento de toda la presa y no solo las situaciones puntuales.

6. AUSCULTACIÓN TÉRMICA: La medición de temperaturas, tanto del ambiente como del interior de la presa, tiene una gran importancia en el cálculo de tensiones en las presas de hormigón.

7. AUSCULTACIÓN SÍSMICA: En todas las grandes presas deben instalarse dispositivos para medir la actividad sísmica.

8. AUSCULTACIÓN DEFORMACIONAL Y TENSIONAL: La medida de los movimientos de traslación se lleva a cabo normalmente utilizando cierto tipo de técnicas topográficas.

9. AUSCULTACIÓN GEODÉSICA: Las medidas geodésicas fueron las que primero se utilizaron para controlar el comportamiento de una presa. Utilizando un equipo topográfico de cierta precisión, el método en el paramento de aguas abajo de la presa, desde puntos supuestamente fijos situados aguas abajo de la estructura.

III. APLICACIÓNDiseñar la presa de gravedad de concreto para una altura de 16.8m de la pantalla, construidas sobre una cimentación de roca. Realizar las respectivas verificaciones de estabilidad (volteo, deslizamiento, etc.)

Datos:

• ϒ agua =1000kg /m3; ϒ concreto = 2400kg /m3 concreto , δsuelo= 2.75kg / cm2• Coeficiente de seguridad para volteo > 1.3 (Para no considerar fuerzas de sismo y hielo).• Parámetros de seguridad para deslizamiento:

Solución:1. Predimensionamiento.Talud aguas arriba recomendado 10 grados de inclinación de pantalla y longitud de base:

2. Cálculo de las cargas Actuantes y Resistentes:De la siguiente figura se observa las cargas actuantes y resistentes:

REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS- Colegio de Ingenieros de Caminos. Monografía: Auscultación de Presas y sus Cimientos.- García de Diego, J.A. Presas Antiguas de Extremadura.- Santos Mora, A. Replanteo y Control de Presas de Embalse.- Vallarino Canovas, E. Tratado Básico de Presas.

- hhttp//www.bme.es/juntaex/consejerías/obraspúblicas.