En las laderas de Lima, la falta de iniciativas de planificación urbana ha llevado a la construcción de viviendas sobre rellenos contenidos por muros tradicionales de contención de piedra de junta seca, conocidos como pircas. Estas estructuras son precarias e inestables, y presentan un alto riesgo ante posibles sismos. La investigación se enfoca en analizar la influencia del proceso constructivo (configuración) de las pircas en su desempeño sísmico fuera del plano, con el objetivo de mejorar las prácticas constructivas actuales. Para ello, se realizaron estudios experimentales a escala natural y modelación numérica utilizando el Método de los Elementos Discretos (DEM). Para los modelos numéricos se utilizó el software de código abierto YADE. Se realizó una campaña experimental pseudo-estática de tres configuraciones de muro (3 especímenes por configuración). Los resultados numéricos y experimentales pseudo-estáticos mostraron la misma tendencia. Por otro lado, también se analizó el efecto de la configuración de las pircas en su desempeño mediante el estudio numérico dinámico. Este enfoque se comparó con el enfoque pseudo-estático y se obtuvo lo conservador que es un enfoque en comparación con el otro. Por último, con base en los resultados obtenidos, se brindó algunas recomendaciones para construir pircas y mejorar su desempeño actual. Se ha comprobado que la técnica de construcción actual puede mejorarse utilizando regularmente los through-stones y considerando una sección transversal con traslape. Se logró un aumento de hasta el 50% de la resistencia lateral, lo que verifica la eficacia de los through-stones. / On the slopes of Lima, the lack of urban planning initiatives has led to the construction of houses on landfills contained by traditional dry stone retaining walls, known as pircas. These structures are precarious, presenting a high risk of earthquakes. The research focuses on analyzing the influence of the constructive process (configuration) of the pircas on their seismic performance out of the plane, intending to improve current construction practices. For this purpose, experimental studies were carried out at a natural scale and numerical modeling using the Discrete Element Method (DEM). The open-source software YADE was used for the numerical models. A pseudo-static experimental campaign of three wall configurations (3 specimens per configuration) was carried out. The numerical and pseudo-static experimental results showed the same trend. On the other hand, the effect of the configuration of the pircas on their performance was also analyzed through dynamic numerical study. This approach was compared with the pseudo-static approach, and how conservative one approach is compared to the other was obtained. Finally, based on the results, some recommendations were provided for building pircas and improving their performance. It has been proven that the current construction technique can be improved by regularly using through-stones and considering an overlapped transverse section. An increase of up to 50% in lateral resistance was achieved, verifying the through-stones' effectiveness.

El estudio y la conservación del patrimonio de estructuras de piedra es una preocupación mundial, sobre todo, si estas construcciones están ubicadas en zonas sísmicas. En el Perú -debido a su gran variedad cultural e histórica- existe un gran número de construcciones de piedra en diferentes sitios arqueológicos, abarcando varias tipologías constructivas. Lamentablemente, gran parte de estas construcciones aún no han sido evaluadas estructuralmente, por lo que se desconoce su comportamiento estructural. También, no se cuenta con una taxonomía de tipologías estructurales y, por ende, diversas características de las construcciones existentes son desconocidas. Una forma de evaluar el comportamiento dinámico no lineal de estas estructuras es usando una rigurosa -pero rápida- metodología numérica que reproduzca adecuadamente los diferentes mecanismos de fallo, basada en la dinámica de cuerpos rígidos bajo el enfoque del método de elementos finitos. Como una primera contribución, en este proyecto se presenta una clasificación taxonómica de construcciones prehispánicas de piedra en el Perú a partir de un estudio de campo. A partir de esta taxonomía, se clasificaron diversos sitios arqueológicos de las regiones de Puno y Cusco, y se identificaron las tipologías más recurrentes de estas regiones. Por otro lado, se elaboraron novedosos códigos en Python, para la obtención del modelo geométrico de estructuras de junta seca, a partir de las imágenes tomadas por un cámara, o de una fotografía existente (incluyendo la identificación de las piedras y las juntas por medio de la segmentación de imágenes). Estas rutinas permiten crear el modelo 3D de cada bloque (piedra), ensamblarlos y exportarlos a un programa de análisis numérico para evaluaciones posteriores. Para el desarrollo de la metodología numérica, se propone la dinámica de los cuerpos rígidos bajo el enfoque del método de los elementos finitos. Cada bloque de piedra se considera como un cuerpo rígido interconectado con otros bloques mediante interfaces no lineales. Esta metodología es validada usando Abaqus, basado en los resultados de ensayos experimentales en esta tesis. En la campaña experimental se construyeron tres muros con bloques de concreto simulando la geometría de estructuras Inca. Los muros fueron construidos sobre una mesa inclinable y fueron ensayados por volteo fuera de su plano. Luego, se elaboraron modelos numéricos de estos ensayos, en los cuales se calibraron las propiedades de contacto con tal que simulen correctamente el comportamiento experimental. Los resultados numéricos del peso, el ángulo de colapso, los desplazamientos relativos en distintos puntos de la estructura y los mecanismos de colapso fueron muy similares a los registrados experimentalmente. Como caso de estudio, se evaluó numéricamente la sección de un muro de contención Inca de Sacsayhuamán, Cusco, frente a diversas acciones sísmicas. El modelo geométrico completo del muro de piedra se obtuvo mediante las rutinas de Python. El terreno contenido detrás del muro se representó por partículas de elementos discretos. Las propiedades del modelo numérico fueron tomadas de la campaña experimental y de calibración, y las frecuencias predominantes de la estructura se obtuvieron por medio del enfoque de vibraciones. Se verificó que la estructura puede soportar adecuadamente estos registros sísmicos escalados hasta una aceleración pico de 0.1 g; sin embargo, la estructura sufre desplazamientos remanentes considerables para registros escalados superiores o iguales a 0.2g. Se concluye que la metodología planteada permite evaluar las estructuras piedra de junta seca de una manera rigurosa, y así conocer si la estructura debe ser intervenida para asegurar su funcionalidad. Se espera que los resultados de esta tesis doctoral puedan contribuir al estudio de las construcciones patrimoniales de piedra, y abrir posibilidades de mejora de la metodología ante diversas configuraciones estructurales. / The study and the conservation of stone heritage is a global concern, mainly when these constructions are in seismic zones. Due to its great cultural and historical diversity, Peru has many stone constructions in different archaeological sites, covering different construction typologies. Unfortunately, many of these constructions have not yet been structurally evaluated, so their structural behaviour is unknown. In addition, there is no classification of the stone structural typologies (taxonomy), so the different characteristics of existing constructions are unknown. One way to study the nonlinear dynamic behaviour of these stone structures is to use a rigorous -but fast- numerical methodology to adequately reproduce the different failure mechanisms based on the dynamics of rigid bodies within the finite element method. Then, this work presents a taxonomic classification of prehispanic stone constructions in Peru, derived from a field study, as the first contribution. Based on this taxonomy, several archaeological sites in Puno and Cusco were classified, and the most common typologies of these regions were identified. The research also proposes novel algorithms developed in Python to obtain the geometric model of dry-joint stone structures using images taken by a camera, a mobile phone, or an existing photograph (including identification of stones and joints, named image segmentation). These routines allow the creation of a 3D model of each block (stone), assembling them, and exporting them to a finite element program for further evaluation. Regarding developing a numerical methodology, the dynamic of rigid bodies within the finite element method is proposed here. Each stone block is considered a rigid body interconnected with other blocks through nonlinear interfaces. This methodology was validated using Abaqus, based on the results of experimental tests developed in this thesis. The experimental campaign was carried out on three walls built with concrete blocks, simulating the geometry of the Inca structures. The walls were built on a tilting table and tested by rotating them out of the plane of the wall. Then, numerical models of the tests were developed by considering each stone as a rigid body and calibrating the contact properties to simulate the experimental behaviour correctly. The numerical results in weight, collapse angle, relative displacements at different points of the structure and collapse mechanisms were very similar to those obtained in the experimental campaign. As a case study, a section of an Inca stone wall from Sacsayhuaman, Cusco, was numerically evaluated using various seismic records. The complete geometric model of the stone wall was automatically obtained using the Python routines. Furthermore, discrete element particles represented the soil behind the wall. The properties of the numerical model were obtained from the experimental campaign, and the predominant frequencies of the structure were obtained using the vibration approach. As a result, the structure can adequately support these seismic records scaled up to a peak acceleration of 0.1g. However, it suffers significant residual displacements for scaled records greater than 0.2 g. The proposed numerical methodology allows the rigorous evaluation of dry-jointed stone structures, knowing if the structure should be intervened to ensure its functionality. Therefore, it is expected that the results of this research will be used to study other stone constructions, opening possibilities for improving the methodology for different structural configurations.

Debido a diversos factores propios de un país en desarrollo, el Perú presenta graves carencias en vivienda e infraestructura. Estas carencias se concentran principalmente en zonas rurales y urbanas de bajos ingresos. A causa de la necesidad de vivienda los pobladores de estas zonas ocupan terrenos inseguros y construyen sus casas de manera informal y no tecnificada. En los terrenos con pendientes, se construyen terrazas con rellenos no tecnificados que son retenidos por muros de roca sin labrar, unidas sin mortero, denominados pircas (proveniente del vocablo perqa en quechua). El uso de muros de piedra similares a las pircas es una práctica extendida por el mundo desde tiempos ancestrales con fines de agricultura o transporte. En el Perú, los muros de piedra fueron utilizados por los ingenieros de los periodos inca y pre-inca para construir los sistemas de andenes para el desarrollo de sistemas agrícolas, manejo de recursos hídricos y control de erosión. En la actualidad la técnica de la andenería se ha perdido. El presente trabajo es el resultado de una investigación descriptiva y exploratoria que tiene por objetivo compilar información sobre la construcción de pircas en la Ciudad de Lima y determinar el potencial de las pircas como sistema estructural para su uso urbano en la ciudad de Lima. La metodología consistió en (1) documentar y caracterizar el proceso constructivo de las pircas de algunos distritos de la ciudad de Lima mediante visitas y entrevistas a maestros constructores, (2) revisión y síntesis de la literatura sobre sistemas constructivos similares en el ámbito global, (3) revisión de estudios sobre andenerías en la zona andina y (4) análisis comparativo entre la técnica de las pircas y los sistemas constructivos similares encontrados. Cabe mencionar que este estudio no busca validar la actual técnica de construcción de pircas, sino que busca dar respuesta a la pregunta sobre su posible uso como una manera segura y económica de ocupación y determinar futuras líneas de investigación en ese sentido. El estudio determina que las actuales pircas tienen algunas características ventajosas pues son amigables con el medio ambiente y económicas. No obstante, son producto de un proceso de deterioro de la técnica tradicional ancestral utilizada en los andenes incas y pre-incas y, por lo tanto, no es posible asegurar su buen desempeño ante sismos o sobrecargas importantes. Además, las normas y reglamentos existentes en la literatura técnica sobre el diseño y construcción de sistemas similares denominados Dry Stone Retaining Walls (DSRW) no pueden aplicarse directamente al caso de las pircas pues sus características geométricas y de construcción son muy variadas. En conclusión, el uso de las pircas con la técnica actual no es aceptable, a menos que la técnica sea mejorada y estandarizada y que se establezcan mecanismos de capacitación eficientes para que la técnica pueda ser replicada y supervisada por las autoridades locales. Para ello es necesario estudios teóricos y experimentales de técnicas constructivas mejoradas que sirvan luego como base para normas o lineamientos en el ámbito local. Este trabajo de tesis fue financiado parcialmente por el proyecto 109-2017-FONDECYT “Validación de técnicas de construcción de pircas mediante estudios numérico experimentales con tecnología desarrollada en el Perú”.