En este trabajo se ensayó un marco de acero de escala reducida de dimensiones 1,5mx1,5mx0,8m, con el objetivo de verificar la capacidad que tienen barras de NiTiNOL (aleación de Niquel y Titanio), para disipar energía sísmica. Las barras de NiTiNOL de 48cm de longitud y 2,46mm de diámetro se incluyen como parte del sistema de arriostramientos, en el centro del vano principal de la estructura, la cual se ensaya en la mesa vibradora del Laboratorio de Dinámica de Estructuras del Departamento de Ingeniería Civil, aplicando señales sinusoidales y registros sísmicos reales escalados. Como instrumentación se utilizan acelerómetros, celdas de carga y potenciómetros, con los cuales se obtienen aceleraciones a nivel de losa y sobre el marco, esfuerzo y deformación en barras y desplazamientos laterales del marco. La estructura sin arriostrar tiene un amortiguamiento de 1,55% y periodo de 0,44s. Al incorporar las diagonales el amortiguamiento aumenta a 2,5% y el periodo baja a 0,15s y 0,16s, dependiendo de la pretensión de las barras. Los desplazamientos y aceleraciones en el techo de la estructura se reducen con respecto al caso de la estructura sin diagonales cuando se aplica el registro de Llolleo en su componente N10E reducido al 50%. Con la utilización de diagonales en estructuras reales es posible disminuir la magnitud de los desplazamientos frente a solicitaciones sísmicas. Además, si éstas incorporan materiales SMA (Shape Memory Alloys), se pueden controlar las aceleraciones en la estructura. Los periodos obtenidos de manera experimental verifican analíticamente, al igual que la respuesta ante el registro sísmico escalado al 50%.

El este trabajo se analiza el comportamiento dinámico de una estructura aporticada, con una de sus vinculaciones externas con propiedades elásticas y una rótula elástica intermedia en el dintel. El procedimiento analítico para estudiar la conducta dinámica de la estructura se desarrolló en base al cálculo de variaciones, obteniendo así las ecuaciones diferenciales gobernantes y el problema de contorno de la estructura estudiada. El método de separación de variables fue utilizado para hallar las frecuencias y las formas modales. Los resultados obtenidos fueron comparados con valores disponibles en la literatura. También se obtuvieron resultados a través de un modelo experimental de laboratorio construido al efecto y por medio de un modelo de código de elementos finitos de carácter comercial. En el Capítulo I para introducir el cálculo de variaciones, se ejemplifica la resolución de un problema relativamente sencillo como es el de vibraciones libres de una viga de dos tramos con vínculos elásticos externos e internos. De esta manera se obtienen las ecuaciones diferenciales y el problema de contorno de la viga. En el Capítulo II se analiza el comportamiento dinámico de un pórtico formado por una columna y un dintel vinculados rígidamente entre sí, con una de sus vinculaciones externas con propiedades elásticas y una rótula elástica intermedia en el dintel. El procedimiento para estudiar la conducta dinámica de la estructura se desarrolla en base al cálculo de variaciones, obteniendo así las ecuaciones diferenciales gobernantes y el problema de contorno del pórtico en L. El método de separación de variables es utilizado para hallar las frecuencias y las formas modales. Los resultados numéricos son calculados por medio de algoritmos realizados con el software Wolfram Mathematica (2012). Estos resultados se presentan en dos secciones: En primera sección se le da diferentes valores a las constantes de los resortes de los vínculos elásticos, y se los compara con resultados similares en la literatura. En segundo lugar se toma diferentes constantes de las condiciones de vínculo para estudiar su influencia en el comportamiento dinámico de la estructura. Las estructuras de acero sujetas a cargas variables o repetidas pueden fallar estando en servicio con cargas significativamente menores a su resistencia estática. Este tipo de falla, resultan del crecimiento de las fisuras que se encuentran sometidas a cargas variables. A través del estudio de las propiedades dinámicas de una estructura, se pueden desarrollar métodos no destructivos que nos permitan acotar la zona de búsqueda de una falla. En el Capítulo III se estudia en forma experimental el comportamiento dinámico de un marco de dos tramos con una fisura en una posición genérica, con el objetivo de determinar un procedimiento analítico que permita predecir los parámetros dinámicos de una estructura fisurada. Se miden en el laboratorio las primeras frecuencias naturales de un modelo fisurado con diferentes vínculos externos, empotrado-empotrado y empotrado-libre. Para el modelo matemático se separa la viga horizontal en dos tramos y en el lugar de la grieta se coloca un resorte rotacional. El desarrollo consiste en una simplificación de una grieta en donde no se involucran los parámetros reales de la misma. Es importante trabajar con la teoría de vigas y suavizar la continuidad con las condiciones de borde. Para expresar la flexibilidad del resorte utilizamos la teoría propuesta por Chondros (1998), ya que es la más utilizada en la literatura. En el Capítulo IV, a modo de introducción al tema, se estudia de forma experimental el comportamiento dinámico de una viga cantiléver. Con el objetivo de, por medio de un caso sencillo, introducir la aplicación de la Transformada Wavelet (TW) al procesado de señales e imágenes que es otra herramienta, muy reciente en el tiempo, para la detección temprana de fisuras en una estructura. El cual será desarrollado con mayor profundidad en futuros trabajos.

Frecuentemente las empresas de telecomunicaciones (radio, TV, telefonía móvil, etc.) hacen uso de mástiles arriostrados como estructuras de soporte de sus antenas. Esta tipología estructural está generalmente conformada por una columna esbelta de sección triangular, reticulada, que es soportada por varios niveles de cables tensos. Estudios detallados de la respuesta de mástiles arriostrados, frente a acciones dinámicas como viento o sismo, no son frecuentes pese al gran potencial de impacto adverso, debido a que se trata de una estructura flexible y a que los cables añaden un comportamiento geométricamente no lineal. Por otra parte, algunos parámetros estructurales como la tensión de los cables o la rigidez del mástil tienen un alto grado de incertidumbre. En el primer caso, porque generalmente no se cuenta con dispositivos que permitan medir con precisión esta variable y en el segundo, porque frecuentemente el mástil debe ser reforzado (para cumplir con los requerimientos de rigidez de la estructura, cada vez mayores, debidos a la creciente sensibilidad de los equipos instalados) y la gran variedad de mecanismos de refuerzo usados (incluso dentro de la misma torre) no permite evaluar su efectividad. En este trabajo, primeramente, se presentan estudios sobre la dinámica no lineal de mástiles arriostrados, mediante programas comerciales de elementos finitos, explorando también la sensibilidad de la respuesta a la variación de parámetros de diseño, como la tensión inicial de los cables o la rigidez del mástil. Las cargas dinámicas provenientes de la acción del viento son generadas como procesos estocásticos, con consideración de las correlaciones espaciales y temporales, a través del Método de Representación Espectral (SRM). Luego, se presentan estudios sobre la propagación de incertidumbres en cargas o parámetros estructurales sobre la respuesta. Para ello se desarrollaron modelos simplificados (tipo cable-viga o columna-cable) y de orden reducido. Finalmente, un modelo de elementos finitos no lineal fue implementado, con el objetivo de crear una herramienta de cálculo y/o verificación de la respuesta estática y/o dinámica de mástiles arriostrados que resulte útil tanto para futuras investigaciones, como para el uso profesional. / Guyed masts are frequently used by telecommunication companies (radio, TV, cell, etc.) as support structures for the antennas. A typical configuration comprises a lattice tower with triangular cross-section, supported by several levels of prestressed guys. Despite the large potential of adverse impact, considering the slenderness of the structure and the non linear behavior of the guys, dynamic analysis of guyed masts subjected to natural loads, as wind and earthquakes, are not commonly addressed in detail. Furthermore, a high level of uncertainty is present on structural parameters such as the initial tension of the guys, due de lack of instruments to precisely measure it in the field, or the mast stiffness, since the mast frequently must be reinforced (the communication technologies poses increasing higher structural demands since the growing sensitivity of the new equipment) and the large extent of adopted reinforcement mechanisms (even in a single structure) does not allow the evaluation of their performance. In this thesis, first, the non linear dynamic response of guyed masts subjected to wind loads is studied, using finite element commercial software. The sensitivity of the response to design parameters, as the initial pretension of the guys or the stiffness of the mast is also explored. The dynamic wind load records are simulated as stochastic processes, with consideration of temporal and spatial correlations, through the Spectral Representation Method (SRM). Next, simplified and reduced order models (ROM) of guyed structures were developed and tested. Then, by means of the ROM and considering structural or load parameters as stochastic variables, uncertainty propagation studies were performed. Finally, an ad hoc non linear finite element tool, to study the static and dynamic behavior of guyed structures, is developed, which can be useful both for future research in the topic as well as for professional use.

Chile es uno de los países con más alta tasa de actividad sísmica en el mundo, por esta razón, se necesitan estrategias para mejorar el comportamiento de las estructuras frente a un sismo. El presente trabajo, trata sobre el análisis del comportamiento de una estructura de acero de 10 pisos, provista de un tipo de disipador friccional de energía sísmica llamado Sloted Bolted Connection (SBC). Estos estudios se realizaron en base a un proyecto de norma para el análisis de estructuras provistas de disipadores pasivos de energía, que en estos momentos está siendo desarrollada. El objetivo principal de este trabajo es determinar las reducciones en aceleraciones, velocidades y desplazamientos de la estructura debido a la incorporación de los dispositivos SBC. Además, se realizó una comparación de éstos resultados, con aquellos obtenidos tras la incorporación a la estructura de otros tipos de disipadores (ADAS, viscoelásticos y de marcos con arriostramiento excéntrico). Todo el análisis del desempeño de los disipadores SBC, y el estudio de los sistemas estructural y disipador, fue realizado mediante un modelo computacional en el programa de análisis no lineal SAP2000. Al analizar los resultados obtenidos, se concluye que los dispositivos SBC reducen efectivamente los índices de aceleraciones, velocidades y desplazamientos en la estructura. Al realizar la comparación entre los resultados obtenidos mediante los distintos tipos de dispositivos, se puede notar que son bastante similares, pero si se toma en cuenta la facilidad de construcción, la disponibilidad de materiales componentes, su fácil montaje, simplicidad de diseño, durabilidad y facilidad de monitoreo, hacen que la aplicación de los SBC sea la mejor alternativa para la realidad nacional.

Magíster en Ciencias de la Ingeniería, Mención Ingeniería Sísmica / Ingeniero Civil / En esta investigación se estudia experimental y analíticamente el comportamiento de placas tipo ADAS, fabricadas de una aleación en base a cobre, frente a desplazamientos perpendiculares a su plano. Estas placas son usadas en dispositivos de disipación de energía sísmica en estructuras civiles. La composición nominal de la aleación es 75.35%p.Cu - 16.90%p.Zn - 7.71%p.Al y corresponde a una de las llamadas Aleaciones con Memoria de Forma (SMA). Se fundieron dos aleaciones (Aleación A y Aleación B), las cuales se forjaron y mecanizaron dejando probetas para ensayar en tracción y placas tipo ADAS. Ambas aleaciones poseen composiciones sólo cercanas a la nominal, pues es difícil controlar la rápida evaporación del Zinc. El tratamiento térmico óptimo para obtener fase austenita o martensita sin aumento excesivo del tamaño de grano en las placas ADAS consistió en el calentamiento del material a 850°C durante 15 minutos para luego enfriarlo en agua a temperatura ambiente; sin embargo, el mismo tratamiento produjo mayor tamaño de grano en las probetas de tracción. En ambas aleaciones se encontró fase martensita a temperatura ambiente, con temperaturas de transformación Mf y Af de 270 y 400°C, respectivamente. Se realizaron ensayos a tracción y ensayos a flexión. En los ensayos a tracción a las probetas, se impusieron ciclos de deformación en tracción pura (evitando compresión) hasta alrededor del 4.0%. Las curvas tensión-deformación obtenidas son características de materiales SMA en fase martensítica. El Módulo de Young es alrededor de 50 [GPa] para la Aleación A y 55 [GPA] para la Aleación B, mientras que la tensión inicial del proceso de demaclado es alrededor de 190 [MPa] y 265 [MPa], respectivamente. En los ensayos a flexión a las placas ADAS, se usaron desplazamientos cíclicos de amplitud creciente entre 0.5 [mm] y 40 [mm], obteniendo ciclos histeréticos estables. A partir de éstos, se calculó la Fuerza Máxima, la Rigidez Secante, la Energía Disipada y la Razón de Amortiguamiento Viscoso Equivalente. Al aumentar el desplazamiento, la Rigidez Secante disminuye asintóticamente hasta valores de alrededor un 40% del valor inicial. Por otro lado, la Fuerza Máxima, la Energía Disipada y la Razón de Amortiguamiento Equivalente aumentan, llegando esta última a valores entre 10% y 15% en todos los casos. La curvatura a lo largo de cada placa ADAS se midió usando strain gauges en las fibras extremas, en 3 posiciones diferentes, resultando, para pequeñas deformaciones, curvaturas constantes tal como lo predice la teoría elástica. Finalmente se observó, con un microscopio óptico de bajo aumento, el tipo de fractura de probetas y placas ADAS, siendo éste intergranular en ambos casos. A partir de los datos obtenidos de los ensayos a tracción, se ajustó un modelo de ley constitutiva multilineal, que se incorporó a un modelo computacional de elementos finitos y fibras para predecir el comportamiento flexural de placas tipo ADAS. El modelo predice de buena forma tanto la Fuerza Máxima como la Rigidez Secante de los ciclos, con errores menores al 7.1% y 7.3%, respectivamente. La Energía Disipada y la Razón de Amortiguamiento Equivalente son sobreestimadas por el modelo para desplazamientos más allá de la fluencia, debido principalmente a la diferencia de rigidez al descargar el material supuesta por la ley constitutiva respecto del resultado experimental. Finalmente, la Rigidez Elástica y la Fuerza de Fluencia calculadas a partir de los ensayos son correctamente predichas por el modelo con errores máximos del 12.5%$ y 22.7%, respectivamente, mientras que las fórmulas teóricas deducidas para placas ADAS estiman tales parámetros con errores máximos del 13.4% y 27.8%.

Tesis para optar al grado de Magíster en Ciencias, Mención Ingeniería Sísmica / Memoria para optar al título de Ingeniero Civil / Identificar y evaluar variaciones en las propiedades dinámicas de una estructura frente a excitaciones externas permite establecer el estado de salud y su posible daño. Adicionalmente, las propiedades identificadas pueden ser utilizadas para calibrar modelos teóricos con los cuales se realiza el diseño estructural. Las técnicas más utilizadas para determinar las propiedades dinámicas de un sistema estructural son el método de Espectro de Densidad de Potencia (PSD), la Descomposición en el Dominio de la Frecuencia (FDD) y el Método del Sub‐Espacio Estocástico (SSI). En la presente investigación se estudian desde un punto de vista teórico y con ejemplos analíticos las técnicas antes mencionadas. Posteriormente éstas se aplican a los registros obtenidos de una red de monitoreo continuo instalado en un edificio durante proceso constructivo (Edificio Titanium La Portada, de 192.5 metros de altura) por un periodo de 5 meses. A partir de estos resultados se evalúan los efectos de corto y mediano plazo que genera el proceso constructivo y parámetros ambientales en las propiedades dinámicas de una estructura. Adicionalmente se evalúa las dificultades de un monitoreo de salud en una estructura en proceso constructivo. En general los procedimientos de identificación permitieron establecer los parámetros de variación de la frecuencia en forma robusta, independientes de la severidad de las vibraciones producto de las actividades constructivas.

El principal objetivo del presente trabajo de título es evaluar, mediante simulación, la respuesta dinámica de un molino tipo SAG con motor de anillo, en distintas situaciones operacionales. La tarea fue desarrollada bajo condiciones lineales de rigidez y el método de elementos finitos, utilizando la plataforma computacional ANSYS. En particular, se buscó la caracterización de los puntos críticos del equipo, tanto en el plano estructural como dinámico, es decir, fueron definidas las combinaciones de variables mecánicas, como deformaciones, esfuerzos, rigideces, velocidades de rotación del molino, frecuencias naturales y modos normales, que en conjunto denotan potenciales anomalías operacionales o fallas, con un enfoque especial en la variación del espacio de aire presente entre el estator y el rotor del equipo. Para esto se efectuó un análisis estructural, de rigidez, modal y finalmente un análisis de colapso de entrehierro. Paralelamente fue planteada una metodología de análisis clara y reproducible, mediante un protocolo de etapas e implementaciones técnicas utilizadas. La importancia de la realización de un análisis de estas características, se funda en la reducida oferta que este tipo de estudios posee a nivel mundial y la presente situación de la industria minera nacional, en donde un número considerable de molinos SAG con motor tipo anillo, ha sufrido fallas en su operación. El principal fenómeno mecánico estudiado en este trabajo son los denominados esfuerzos radiales excéntricos, generados por la interacción magnética entre el rotor y el estator del molino. Los factores predominantes en la existencia de estos esfuerzos, son inevitables fallas de montaje del equipo y las deformaciones que este sufre en operación. Éste último factor se refiere directamente a la magnitud de la rigidez global del sistema y a la de sus componentes. Los resultados finales del trabajo mostraron una disminución del 51% de la rigidez horizontal global respecto de la vertical. Particularmente se observa una notable asimetría de la rigidez del estator e importantes deformaciones. En términos cuasi-estáticos el espacio de aire estator-rotor no alcanza variaciones alarmantes, sin embargo, incorporando los resultados obtenidos en el análisis modal, existen dos modos normales del sistema (#4 y #5) que perjudican notablemente esta dimensión, cuyas frecuencias naturales se encuentran cercanas a dos fuentes excitatorias del sistema, en condiciones nominales de operación. Se concluye que los puntos críticos del equipo están directamente relacionados con dos modos normales del sistema, los que alteran directamente el espacio de aire estator-rotor. Especial énfasis como potencial de falla se le entrega al modo #5, dada su reducida capacidad de amortiguamiento. En términos estructurales el protagonista de las mayores debilidades y asimetrías en su rigidez, es el estator. Sin pretender asegurar que estas son las causas de las fallas de los equipos en faena, se pretende acotar el problema y establecer estos focos críticos como hipótesis de estudios de mayor complejidad. En términos generales, también se concluye que la simulación es una herramienta potente, que en buen uso, entrega información valiosa en estudios ingenieriles.

Ingeniero Civil / En un país sísmico como Chile, donde se han registrado terremotos muy severos, el diseño de estructuras sismorresistentes es vital para asegurar la durabilidad de ellas. Un caso particular son las estructuras de acero destinadas a instalaciones industriales, cuyo diseño se basa en la norma chilena NCh2369 (INN, 2003), cuya redacción se basó en la experiencia y prácticas de importantes empresas de ingeniería del país debido a la inexistencia de una norma internacional de diseño sísmico que se refiriera a estos casos. Dada la incertidumbre que existe respecto al tema, y con el fin de aportar al entendimiento del comportamiento de este tipo de edificaciones, surge la idea de analizar un modelo estructural basado en un tipo de edificio ya existente, esperando que su comportamiento explique los motivos por los cuales las disposiciones de diseño establecidas en la norma cumplen con requisitos de rendimiento ante situaciones extremas. El objetivo general de este trabajo de título es determinar las razones del buen desempeño observado durante el terremoto del 27 de Febrero de 2010 en estructuras de marcos arriostrados concéntricos de acero, destinadas a la industria, construidas bajo las disposiciones de la norma NCh2369 (INN, 2003). Se realiza una evaluación de algunas disposiciones de diseño de la norma, en particular de parámetros como el factor de reducción R, donde existe mayor incerteza, con la intención de verificar la posible existencia de una sobre resistencia u ocurrencia de deformaciones inelásticas que hayan favorecido el desempeño sísmico de la estructura a estudiar. La respuesta del edificio se obtuvo llevando a cabo un análisis del modelo desarrollado en 2 etapas principales: análisis estático y estudio dinámico. Para el análisis estático se realizaron pruebas pushover sobre la estructura, y el estudio dinámico se hizo utilizando registros obtenidos durante el evento sísmico del 27 de Febrero de 2010, en conjunto con registros de otros sismos de importancia ocurridos en el país. Se encontró que el diseño de la estructura estudiada entregaba una mayor sobrerresistencia a ésta, mientras que la demanda de ductilidad se mantuvo en valores bajos tanto en las direcciones principales como en la estructura general. Incluso se verificó la no ocurrencia de deformaciones inelásticas bajo solicitaciones sísmicas de los registros utilizados. Además, esta alta sobrerresistencia se tradujo en un alto valor del factor R, con lo cual las estructuras diseñadas bajo las mismas especificaciones de diseño resultarían sobredimensionadas.

Debido a su gran exibilidad, los cables suspendidos presentan un comportamiento dinámico complejo producto de la no linealidad geométrica característica, con alta sensibilidad al nivel de tensión mecánica. Asimismo, en torres arriostradas de telecomunicaciones y de transmisión de energía, la tensión de las riendas presenta un considerable nivel de incertidumbre, en cuanto puede verse afectada en el tiempo debido a eventos ambientales, acciones accidentales o deliberadas sobre la estructura. En ciertas con guraciones de torres arriostradas de comunicación, las riendas poseen un arreglo de aisladores que interrumpen su longitud en segmentos menores. En esos casos, la aplicación de los métodos existentes basados en frecuencias naturales para la determinación de la tensión podría conducir a errores signi cativos. En el presente trabajo se desarrollan dos metodologías para la estimación de la tensión en cables con complejidades. Por un lado, a través de un enfoque probabilístico se propone un esquema Bayesiano de inferencia. Adicionalmente, se aborda la resolución del problema a través de la implementación de una Red Neuronal Arti cial. Ambas metodologías son evaluadas a través de ensayos físicos y computacionales. En el contexto del estudio dinámico de cables y estructuras con cables, se incluye un análisis probabilístico de líneas de transmisión de energía eléctrica (LTEE). En estos sistemas, la carga asociada al viento constituye usualmente el factor más relevante en el diseño estructural. Se aborda el análisis probabilístico de LTEE mediante un enfoque Monte Carlo de propagación y cuanti cación de incertidumbre, considerando a la carga de viento como un campo dinámico estocástico con correlación espacial y temporal, y a la tensión de las riendas como variables aleatorias. Por medio de este enfoque, se deriva una representación robusta de la respuesta estructural. A través de la aplicación de la carga estática de reglamento, se de nen umbrales de referencia que sirven de base para un análisis de cont abilidad estructural de la respuesta estocástica. / Due to its great exibility, suspended cables exhibit a complex dynamic behavior associated to their characteristic geometrical nonlinearity, and high sensibility to their pretension level. At the same time, in guyed power and telecommunication towers, the mechanical tension of the guys presents a signi cant uncertainty level, since it could be a ected in time due to environmental or deliberated human actions against the structure. In some con guration of guyed communication towers, an arrangement of insulators is attached to the guys, breaking its total length in minor sub-spans. In those cases, the application of the existing vibration-based methods for the estimation of the tension force could lead to signi cant errors. Therefore, two separate methodologies are developed in the present investigation for the estimation of the tension force in cables with complexities. On one side, through a probabilistic approach, a Bayesian framework is proposed. Additionally, the problem is approached through the implementation of an Arti cial Neural Network (ANN). Both methodologies are evaluated through physical and simulated tests. Additionally, the application of cables in Power Transmission Lines (PTL) is studied. In these systems, the load due to wind acting on the structure usually de nes the structural design. In the present investigation, the probabilistic analysis of a PTL is performed by means of a Monte Carlo approach for uncertainty quanti cation and propagation, considering the wind-related load as a dynamical stochastic eld with spatial and temporal correlation. Moreover, the uncertainty in the guys tension is included in the study through the de nition of a statistical model for the tension in the four guy wires of the supporting structure. This approach allows the derivation of a robust representation of the system response. Moreover, through the application of the static-equivalent wind load suggested in an international design code, reference thresholds are de ned and used in a reliability analysis of the stochastic dynamical structural response. / TEXTO PARCIAL en período de teletrabajo

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