Ingeniero Civil Mecánico / Los descansos hidrodinámicos son componentes que sirven de apoyo para ejes en maquinarias rotatorias sometidas a altas exigencias. El principio de funcionamiento se funda principalmente en una porción de eje sumergida en un film de aceite a presión, el cual sirve de soporte, lubricante y amortiguador para las grandes vibraciones a las cuales están sometidos. La dinámica de estas componentes es bastante compleja, dado el inestable comportamiento del film de fluido, pero es vital su comprensión para mejorar su desempeño y alargar su vida útil. La obtención de los parámetros de rigidez y amortiguamiento mediante prototipos experimentales resultan ser la mejor manera de simular la dinámica de éstas componentes para su diseño, pues modelos numéricos y analíticos, si bien arrojan resultados aproximados, no han logrado ser netamente confiables. Este trabajo consistió en el desarrollo de un método para identificar experimentalmente los coeficientes de amortiguamiento y rigidez de un descanso hidrodinámico mediante un método de modelamiento inverso basado en algoritmos genéticos. El sistema rotor se modela mediante el método de elementos finitos. A diferencia de otros métodos de optimización, los algoritmos genéticos son bastante más estables y si están bien definidos pueden converger al óptimo global. Los datos son adquiridos de un rotor experimental, el cual posee un descanso hidrodinámico con bomba de aceite y cuatro sensores de desplazamiento, usados para medir la respuesta del sistema a fuerzas externas ejercidas por dos excitadores electrodinámicos. Este montaje se encuentra en el Laboratorio de Sólidos y Vibraciones de la Facultad de Ciencias Físicas y Matemáticas de la Universidad de Chile. Para la obtención de los coeficientes del descanso, se varían distintos parámetros operacionales, como velocidad de rotación del eje, presión de aceite y magnitud y frecuencia de las fuerzas externas. Se obtuvieron resultados que mostraron tendencias interesantes. La rigidez y amortiguamiento del descanso varían con la velocidad de rotación del eje y con la presión. Se observa también que varían su comportamiento frente a la frecuencia de excitación. Donde no se percibieron tendencias claras fue para la variación de la magnitud de las fuerzas. En conclusión, con el método propuesto se logró determinar los coeficientes satisfactoriamente, mostrando claras tendencias y evolución de éstos bajo distintas condiciones de operación en el rotor y en el descanso.

Estudios recientes han demostrado que las propiedades modales de diversas estructuras varían en función de cambios ambientales. Un ejemplo muy estudiado, es el caso del edificio de la biblioteca Millikan del Instituto Técnológico de California (Caltech). En este edificio se ha observado una sensibilidad importante de las frecuencias ante eventos metereológicos, encontrándose variaciones del 3% durante lluvias, un aumento de hasta 2% ante altas temperaturas y una variación diaria del 2%. Estas variaciones presentan una dificultad a los sistemas automáticos que intentan reportar el daño o perturbaciones anormales de una estructura en tiempo real. El presente trabajo tiene como objetivo la identificación de los parámetros modales del edificio de la Cámara Chilena de la Construcción a través del registro continuo de vibraciones, y el análisis de su variación en función de variables metereológicas. La primera etapa de este trabajo fue la validación del método de identificación utilizado, Subespacio Estocástico, en un modelo computacional del edificio. Se ingresaron al modelo 10 registros artificiales de aceleración de ruido blanco en la base. De este procedimiento se concluye que los resultados de las frecuencias identificadas son bastante precisos, con errores menores a 0.5%; en cambio el amortiguamiento presenta una gran sensibilidad, con errores de hasta un 52%. Para el proceso de identificación en el edificio, se midieron aceleraciones durante 7 meses continuos. De todo el período de tiempo, se seleccionaron los primeros 10 minutos de cada hora y se identificaron las primeras 7 frecuencias y sus respectivas razones de amortiguamiento. Para este caso los valores de las frecuencias presentan una variación moderada (2.1% hasta 6.7%), en contraste con el amortiguamiento, que sufre grandes variaciones (168% hasta 264%) en relación al valor medio. Para el modo 1, que corresponde al caso con menor variación, un 99.9% de la muestra tiene valores en frecuencia en el rango 1.004 Hz y 1.026 Hz, con media de 1.015 Hz. La variación con respecto a la media es de 2.1%. Para esta frecuencia el amortiguamiento está comprendido en el rango 0.20% y 1.56%, con media de 0.67%. Para el modo 6, que corresponde al caso con mayor variación, un 99.9% de la muestra tiene valores en frecuencia en el rango 3.761 Hz y 4.020 Hz, con media de 3.895 Hz. La variación con respecto a la media es de 6.7%. Para esta frecuencia el amortiguamiento está comprendido en el rango 0.32% y 3.09%, con media de 1.05%. Posteriormente, se analizó en conjunto los parámetros modales y variables metereológicas. Se observa que las frecuencias estudiadas son afectadas por parámetros climáticos, principalmente, temperatura y precipitación. Todas las frecuencias analizadas presentas ciclos diarios de similar comportamiento a los ciclos de temperatura. Durante 24 horas continuas de un ciclo normal de temperatura y sin precitaciones por ejemplo, la frecuencia asociada al modo 6 tuvo una variación de 7% con respecto a los valores mínimos y máximos identificados en esas 24 horas. En el caso de precipitaciones, éstas tienen una influencia en las frecuencias predominantes de la estructura. En un caso se observó que las frecuencias aumentaron en 1.2%. La variación de la frecuencia comienza casi inmediatamente al iniciarse la lluvia, aumentando su valor durante las precipitaciones y luego comienzan a disminuir paulatinamente hasta el sexto día. Del presente estudio se concluye que las frecuencias modales analizadas varían en promedio 4% debido a factores ambientales. El fenómeno metereológico que más influye en la variación de la frecuencia es la temperatura.

En la actualidad existen en el mercado dispositivos de disipación de energía que podrían ser empleados en el reforzamiento de edificaciones importantes en el país. En este trabajo se discuten los objetivos que debe alcanzar un proyecto de reforzamiento y se revisan las estrategias y técnicas utilizadas para el reforzamiento de edificaciones. Se hace una breve presentación de los dispositivos de disipación de energía y se explica el funcionamiento de los disipadores de fluido viscoso. Para estimar la respuesta dinámica de los edificios con sistemas de amortiguamiento, se explican procedimientos con análisis tiempo-historia y por medio de métodos espectrales. Se resume una metodología para desarrollar el reforzamiento de edificaciones empleando disipadores, y se desarrolla como ejemplo el diseño del sistema de protección para una edificación educativa. Los resultados del trabajo muestran que con el sistema de protección diseñado, la edificación estudiada podría alcanzar un amortiguamiento efectivo del orden del 25%, y la deriva y las solicitaciones internas se reducirían por un factor del orden de 0.6. El costo de los dispositivos para la edificación presentada se estimó en US$ 45 por metro cuadrado de área construida. / Tesis

Durante terremotos severos, las estructuras pueden sufrir daños debido a las incursiones inelásticas que experimentan. Hoy en día existen en el mercado sistemas de aislamiento y disipación de energía que se instalan en los edificios con el fin de reducir el daño. Los sistemas de disipación de energía liberan la energía sísmica de entrada en forma de amortiguamiento, mientras que los sistemas de aislamiento sísmico permiten reducir la energía sísmica de entrada. En nuestro país se vienen desarrollando proyectos de edificios nuevos con aislamiento y disipadores de energía, lo cual de alguna manera ha motivado el presente estudio. En este trabajo se desarrolló el diseño del sistema de disipación de energía para un edificio aporticado de 7 pisos que tiene una deriva de entrepiso cercana al 1%, bajo las solicitaciones de la Norma Peruana de Diseño Sismorresistente. Se definió como objetivo de desempeño lograr que el edificio se comporte con daño moderado ante un sismo de 500 años de periodo de retorno. Para el sistema de pórticos empleado, la deriva asociada a este nivel de daño es cercana a 0.55%. El diseño del sistema de disipación se orientó a lograr que la deriva se mantuviera por debajo de este valor. Se estudiaron alternativas de arreglo Chevron para amortiguadores lineales y no lineales. La mejor alternativa consistió en 56 disipadores no lineales, dispuestos en todos los pisos. Con la solución obtenida se logró un amortiguamiento equivalente de 24 % y se logró reducir la deriva a 0.56%. Las fuerzas desarrolladas en los disipadores fueron del orden de las 50ton. Los resultados del presente trabajo indican que el sistema diseñado permitirá reducir la deriva en un 40%, y que el daño se mantendría, en teoría, por debajo del umbral de moderado frente a sismos raros (500 años de período de retorno). Es necesario que la actual Norma Peruana de Diseño Sismorresistente incluya un capítulo para el diseño los sistemas modernos de protección sísmica. / Tesis

Ingeniera Civil / Chile es uno de los países más sísmicos del mundo; escenario de grandes terremotos en el pasado y con toda seguridad, en el futuro. En particular, los suelos son afectados por movimientos sísmicos. Por lo que es importante conocer las propiedades dinámicas del suelo (rigidez máxima Gmax , curvas de degradación G/Gmax y el amortiguamiento D ) para el correcto diseño de proyectos de ingeniería. Existen distintos ensayos para medir parámetros dinámicos del suelo, sometiéndolos a pequeñas y grandes deformaciones. El módulo de corte G y el amortiguamiento D se obtienen con ensayos de laboratorio y terreno. En particular, en laboratorio, uno de los ensayos que cubre un mayor rango de deformación es el de columna resonante (D4015-15, 2016). Este trabajo de título consistió en realizar ensayos de columna resonante en arenas de relave del muro del tranque El Torito (Mina de cobre El Soldado). Los ensayos fueron hechos con probetas de arena preparadas entre 35% y 85% de densidad relativa, y confinamientos que variaron entre 1 [kg/cm2] y 4 [kg/cm2]. Los resultados obtenidos se compararon con los obtenidos en el equipo Bender Element. Los Gmax dieron entre 40 y 180 [MPa]. Los ensayos de columna resonante entregaron rigideces máximas moderadamente mayores (5%) a los de Bender Element. Esto debido posiblemente a que las probetas del primer ensayo se vieron menos alteradas en su confección. Todas las curvas de degradación del módulo de corte G/Gmax y amortiguamiento D varían respecto a su deformación al corte con una tendencia que concuerda con lo observado en la literatura. A mayor confinamiento, las muestras tienen mayor rigidez inicial, mayor G/Gmax y menor amortiguamiento. A mayor índice de vacíos, las probetas tienen menor rigidez inicial y mayor G/Gmax , el amortiguamiento no tiene mayor variación respecto este parámetro. El comportamiento de las muestras al 5% de saturación es similar al de las muestras saturadas.

La gran actividad sísmica que se presenta en el territorio nacional, junto con el crecimiento de la construcción, y el cada vez mayor costo del terreno en ciudades importantes, han tenido como resultado un incremento en la edificación en altura. Esta clase de estructuras, que poseen como denominador común un bajo amortiguamiento y gran flexibilidad, presentan problemas asociados con vibraciones molestas las cuales pueden ocasionar no solo problemas a sus ocupantes sino que también a su contenido y elementos no estructurales. Como respuesta a esta clase de problemas, diversos dispositivos de protección sísmica se han propuesto como solución. En particular, los disipadores de masa sintonizada y los disipadores de columna líquida sintonizada, han cobrado en años recientes gran interés por parte de los investigadores demostrando ser a su vez ser una herramienta eficaz para el control de vibraciones. En la presente investigación se estudia el comportamiento de una estructura con esta clase de dispositivos. En una primera etapa, mediante análisis teóricos al sistema estructura disipador, se caracteriza la a respuesta del sistema para acciones sísmicas idealizadas. Primeramente se supone que la acción sísmica es de tipo deterministica monofrecuencial. Posteriormente la misma se asume como aleatoria tipo ruido blanco, y finalmente como ruido blanco filtrado. Para cada una de estas acciones sísmicas idealizadas se proponen expresiones para determinar los parámetros óptimos de diseño, con objeto de minimizar el desplazamiento de la estructura a controlar. Las expresiones de los parámetros óptimos de diseño se presentan en función de la razón de masas entre el dispositivo y la estructura controlada, la razón de amortiguamiento crítico de la estructura controlada, y en el caso del disipador de columna líquida del factor de forma del dispositivo. Para verificar la efectividad de los parámetros óptimos de diseño y procedimientos de diseño propuestos en la investigación, se construye un disipador de masa sintonizada y un disipador de columna líquida sintonizada para controlar la respuesta de una estructura de seis grados de libertad sujeta a la acción de diez registros sísmicos aplicados en su base mediante la mesa de vibrar del Departamento de Ingeniería Civil de la Universidad de Chile. Los resultados de los análisis muestran una reducción promedio de los máximos desplazamientos del modelo de un 30%, registrándose además notorias disminuciones de variables tales como la intensidad de Arias y el RMS de las aceleraciones medidas en cada uno de los niveles del modelo. Asimismo los resultados indican un mejor comportamiento de los dispositivos para los registros Chilenos los que poseen una duración de movimiento fuerte mayor. Finalmente se puede concluir que los disipadores sintonizados son dispositivos de reducción de vibraciones eficaces. Especialmente indicados en aquellos casos en que se desea controlar la respuesta de una estructura sujeta a la acción de vibraciones ambientales, que puedan ocasionar molestias a los usuarios, su instalación es en general sencilla y no involucra grandes modificaciones a la estructura.

En la actualidad existen en el mercado dispositivos de disipación de energía que podrían ser empleados en el reforzamiento de edificaciones importantes en el país. En este trabajo se discuten los objetivos que debe alcanzar un proyecto de reforzamiento y se revisan las estrategias y técnicas utilizadas para el reforzamiento de edificaciones. Se hace una breve presentación de los dispositivos de disipación de energía y se explica el funcionamiento de los disipadores de fluido viscoso. Para estimar la respuesta dinámica de los edificios con sistemas de amortiguamiento, se explican procedimientos con análisis tiempo-historia y por medio de métodos espectrales. Se resume una metodología para desarrollar el reforzamiento de edificaciones empleando disipadores, y se desarrolla como ejemplo el diseño del sistema de protección para una edificación educativa. Los resultados del trabajo muestran que con el sistema de protección diseñado, la edificación estudiada podría alcanzar un amortiguamiento efectivo del orden del 25%, y la deriva y las solicitaciones internas se reducirían por un factor del orden de 0.6. El costo de los dispositivos para la edificación presentada se estimó en US$ 45 por metro cuadrado de área construida.

Durante terremotos severos, las estructuras pueden sufrir daños debido a las incursiones inelásticas que experimentan. Hoy en día existen en el mercado sistemas de aislamiento y disipación de energía que se instalan en los edificios con el fin de reducir el daño. Los sistemas de disipación de energía liberan la energía sísmica de entrada en forma de amortiguamiento, mientras que los sistemas de aislamiento sísmico permiten reducir la energía sísmica de entrada. En nuestro país se vienen desarrollando proyectos de edificios nuevos con aislamiento y disipadores de energía, lo cual de alguna manera ha motivado el presente estudio. En este trabajo se desarrolló el diseño del sistema de disipación de energía para un edificio aporticado de 7 pisos que tiene una deriva de entrepiso cercana al 1%, bajo las solicitaciones de la Norma Peruana de Diseño Sismorresistente. Se definió como objetivo de desempeño lograr que el edificio se comporte con daño moderado ante un sismo de 500 años de periodo de retorno. Para el sistema de pórticos empleado, la deriva asociada a este nivel de daño es cercana a 0.55%. El diseño del sistema de disipación se orientó a lograr que la deriva se mantuviera por debajo de este valor. Se estudiaron alternativas de arreglo Chevron para amortiguadores lineales y no lineales. La mejor alternativa consistió en 56 disipadores no lineales, dispuestos en todos los pisos. Con la solución obtenida se logró un amortiguamiento equivalente de 24 % y se logró reducir la deriva a 0.56%. Las fuerzas desarrolladas en los disipadores fueron del orden de las 50ton. Los resultados del presente trabajo indican que el sistema diseñado permitirá reducir la deriva en un 40%, y que el daño se mantendría, en teoría, por debajo del umbral de moderado frente a sismos raros (500 años de período de retorno). Es necesario que la actual Norma Peruana de Diseño Sismorresistente incluya un capítulo para el diseño los sistemas modernos de protección sísmica.

Los sistemas de disipación de energía ya tienen disponibilidad comercial en Perú y ya se están desarrollando proyectos importantes de edificios nuevos así como reforzamientos de edificios existentes empleando estas tecnologías de protección sísmica. Varios países ya disponen de códigos para el análisis y diseño de edificaciones con dispositivos de disipación de energía sin embargo, nuestro país aún no cuenta con una norma propia al respecto. El objetivo de esta tesis es desarrollar procedimientos de análisis y diseño de estructuras con disipadores que sirvan de base para una futura norma local. Con este fin se estudian normas internacionales relevantes como ASCE 7 y FEMA, así como investigaciones importantes realizadas sobre esta materia. Se muestra que los llamados métodos simplificados desarrollados en los códigos americanos para estructuras con disipadores son de gran utilidad para obtener estimaciones de las respuestas sísmicas inelásticas. Se muestra que bajo ciertas condiciones una estructura con disipadores y comportamiento inelástico del sistema sismorresistente puede ser representada como una estructura con rigidez lineal equivalente y amortiguamiento viscoso equivalente. Los métodos simplificados fueron implementados en conjunto con la norma peruana sismorresistente E.030. Estos procedimientos se aplicaron a una estructura regular de concreto armado de 5 pisos ubicada en la costa peruana y empleando dos tipos de dispositivos: disipadores de fluido viscoso y disipadores TADAS. Los resultados de los métodos simplificados propuestos fueron evaluados con los resultados de análisis tiempo historia no lineales y se obtuvieron en general predicciones conservadoras para los desplazamientos de entrepiso y los cortantes sísmicos basales. En base a estos resultados se concluye que los métodos simplificados deberían ser incluidos en una futura norma peruana de estructuras con disipadores. / Tesis