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Ingeniera Civil Mecánica / Los medios granulares son de gran interés en el área de la ingeniería y la industria, siendo el segundo tipo de material más ampliamente trabajado después de los recursos hídricos. Es debido a este interés, sumado al interés científico, que dichos materiales han sido ampliamente estudiados en los últimos 160 años. El estudio de medios granulares comenzó con Hagen a mediados del siglo XIX. Posteriormente, se desarrollaron diversos estudios, tanto numéricos como experimentales, para conocer de mejor manera los fenómenos que ocurren en medios granulares. Estos fenómenos son, entre otros, el flujo convectivo, segregación y formación de atascos de material. Además, se han encontrado trabajos en que se conjugan vibración externa y flujo de salida, obteniéndose relaciones experimentales entre el flujo de salida y ciertas variables de oscilación. Sin embargo, estos estudios consideran una única forma de onda. En este trabajo de título se estudia un sistema que consta de un recipiente de tamaño y geometría invariables, con un orificio de salida en su cara inferior, llenado con un medio granular sometido a un régimen vibracional en dirección vertical. La geometría del recipiente se basa en los silos industriales, existiendo una disminución de sección hacia la parte inferior. Se estudia el comportamiento del medio granular según el régimen de vibraciones empleado, que es variado en su forma de onda, amplitud y frecuencia. Se mide tanto la cantidad de material que sale del recipiente, como los rangos de frecuencias en que ocurre salida de material. El diseño del recipiente es parcialmente realizado en un software CAD, para luego ser fabricado por medio de una impresora 3D. Los materiales granulares utilizados son dos, para efectos de contraste. Los resultados obtenidos comprenden las frecuencias de salida de material, encontradas por medio de barrido; y los tiempos y flujos másicos de vaciado tanto para la porción inferior del recipiente, como para tramos intermedios. Para esta última medición se calcula el flujo másico de salida, dependiente del volumen de cada tramo. Otro fenómeno observado y medido es el flujo convectivo al interior del recipiente, además del comportamiento de una esfera metálica en el material granular. En general, se logra observar los fenómenos conocidos por los antecedentes; obteniéndose relaciones entre los flujos de material y los parámetros de forma de onda, amplitud y frecuencia. Finalmente, se realizan algunas recomendaciones para futuros trabajos.

Doctor en Ciencias, Mención Física / Esta tesis se dedica al estudio de las fluctuaciones de densidad, orden y de capilaridad en la vecindad de una transición de fase granular tipo sólido-líquido que ocurre en una monocapa granular vibrada de geometría cuasi-bidimensional. En la Parte I introducimos las bases teóricas del trabajo con los conceptos y definiciones que serán usadas para describir, analizar y discutir los resultados exper- imentales más adelante. En el capítulo 1 se repasan los modelos microscópicos más importantes usados para describir la materia granular. Además, se presenta una breve revisión sobre teoría cinética e hidrodinámica granular. El capítulo 2 aborda los conceptos escenciales para entender la teoría de las transiciones de fase, tales como la noción de un parámetro de orden y la definición de exponentes críticos. En la Parte II se presentan en detalle los montajes experimentales usados para estudiar el problema, junto con los métodos experimentales usados, en particular la detección de partículas y la detección de la interfase tipo sólido-líquido. En la Parte III, la cual a su vez está dividida en 3 capítulos, se presentan los resultados. En el capítulo 5 se presenta la descripción estática de la transición y su caracterización en términos de un parámetro de orden. Se muestra que esta transición fuera del equilibrio puede ser de primer o segundo tipo dependiendo de la altura de la celda y la densidad de llenado. Además, ésta se caracteriza por el parámetro de orden orientacional Q4. Cuando la transición resulta ser de segundo orden, la longitud de correlación asociada ξ4, el tiempo de relajación τ4, la susceptibilidad estática de Q4, la función de correlación de pares de Q4, y la amplitud del parámetro de orden obedecen leyes de potencias críticas, con saturaciones debido a efectos de tamaño finito. Con esto, la transición continua presenta un comportamiento crítico, con exponente dinámico z consistente con el modelo C de la teoría de fenómenos críticos dinámicos. Luego, en el capítulo 6 se presentan los resultados concernientes a las fluctuaciones de la interfase sólido-líquido. En particular se muestra que estas fluctuaciones resultan estar bien descritas por la teoría de ondas capilares, lo que permite medir la tensión superficial γ, y la movilidad M una vez determinada la energía térmica granular. También se presenta el comportamiento de la tensión de superficie como función del parámetro de control Γ, mostrando que para la transición continua esta disminuye a medida que el sistema se acerca al punto crítico, mientras que para el caso de la transición abrupta esta es aproximadamente constante. Finalmente, en el capítulo 7 se presentan los resultados obtenidos a través del estudio de funciones de correlación dinámicas. En particular, se encuentra la presencia de ondas en el sistema y se obtienen la velocidad de fase y de grupo, tanto de las ondas longitudinales como transversales. Las conclusiones y perspectivas para el trabajo futuro son presentadas en el capítulo final.

Ingeniero Civil Mecánico / Bajo el marco de estudio que integra a la Facultad de Odontología de la Universidad de Chile y la Facultad de Ciencias Físicas y Matemáticas de la Universidad de Chile, se busca estudiar situaciones clínicas que difícilmente pueden ser medidas experimentalmente, específicamente el comportamiento de implantes dentales inmediatamente cargados en pacientes desdentados totales con gran atrofia del maxilar superior. Los resultados presentan avances para validar de manera exhaustiva un tipo de intervención con muchas variantes en aplicación. La principal variable estudiada son los micromovimientos o desplazamientos relativos entre hueso e implante, que están directamente relacionados con el éxito o fracaso del tratamiento en cuestión. Mediante el análisis de elementos finitos se puede modelar de manera aproximada fenómenos que ocurren en la realidad, simular nuevos casos y extrapolar ciertos resultados a situaciones clínicas. En la actualidad se están reportando intervenciones a pacientes en las que se utiliza una estructura de acrílico en vez de metal, esto es una variación de lo visto en estudios anteriores. Siguiendo con la línea de investigación se aprovecha este caso para lograr aplicar mejoras y avances al modelo que no se habían podido presentar aún. El desarrollo de este trabajo consta de 2 estudios principales. En un principio se utiliza un modelo tridimensional de un maxilar superior, se realiza un conjunto o sistema con un modelo de implante dental, luego se obtiene un modelo mallado del ensamble completo lo que permite desarrollar la investigación del caso por medio de elementos finitos. Para este caso se utiliza la mitad de un modelo aplicando condición de simetría debido a las limitaciones de proceso y memoria de los recursos computacionales con que se cuenta. Además, se trató el caso particular de implantes con precarga mediante un método aproximado y un modelo simple de un implante. Los resultados para los modelos principales son de forma parcial debido a diversas dificultades encontradas en la resolución de las simulaciones. De todas formas se exponen resultados de simulaciones simplificadas que entregan interesantes datos y observaciones. Se presentan además resultados para el caso de precarga modelado con un método aproximado y otras situaciones estudiadas mediante modelos simples.

Ingeniero Civil Mecánico / Los estándares actuales del tratamiento de implantes dentales apuntan a considerar las siguientes circunstancias: una experiencia no traumática, cirugía mínimamente invasiva y función inmediata. Este último factor es sumamente relevante en el proceso biológico de adaptación del hueso al implante, llamado oseointegración. Cargar un implante antes de que se integre con el hueso que lo aloja genera un fenómeno de movimiento relativo entre el implante y el hueso, conocido en la literatura como micromovimiento. Valores sobre un umbral aproximado de 150 [µm] generan daño en el material óseo impidiendo que ocurra el proceso de oseointegración. Un método útil para estudiar el micromovimiento es realizar simulaciones mediante el Método de Elementos Finitos. Este método permite modelar, simular y obtener resultados que difícilmente pueden ser obtenidos experimentalmente. Para obtener resultados válidos se toman en consideración factores numéricos, biológicos y mecánicos. Se trabajó con un modelo estructural estático con contactos no lineales. Se encontró una formulación adecuada para el tipo de contacto, dividiendo la carga en una cantidad de pasos que permitió la convergencia del modelo. Además se consideró el material óseo como un medio donde se distinguen dos tipos de tejido: cortical y trabecular. Se estudiaron distintos tipos de conjuntos supraestructura-implantes y se analizó la influencia de la sección transversal de la supraestructura así como también su material de fabricación. Un factor que se consideró, y que corresponde a una mejora respecto de trabajos similares anteriores, fue el hilo en los implantes estándar. A lo largo de este trabajo se desarrolló una metodología para generar un modelo, con todos los factores mencionados anteriormente, importable en el software comercial de elementos finitos ANSYS. Se utilizó éste programa para obtener los resultados. Finalmente estos últimos se interpretaron y elaboraron las pertinentes conclusiones. Se determinó que los valores de micromovimiento de todos los casos simulados se encuentran bajo el valor crítico de generación de problemas para la oseointegración. Un factor relevante en la distribución y valor máximo de micromovimiento y esfuerzo es la consideración geométrica del hilo en los implantes. El material de construcción de la supraestructura muestra ser otro factor relevante en los valores máximos de micromovimiento de los distintos modelos. No se encontró una relación clara entre la sección transversal de la supraestructura y el micromovimiento.

Magíster en Ciencias de la Ingeniería, Mención Mecánica / Medir la vibración con cámaras de alta velocidad permite la disponibilidad de una gran cantidad de datos, ya que el sistema discretiza la super ficie a medir en un arreglo rectangular de miles de puntos. Contar con datos en alta resolución puede ser un factor positivo a la hora de localizar el daño y determinar su severidad, en especial cuando las zonas afectadas son de poco tamaño. El objetivo de esta investigación es explorar el potencial en el uso de un sistema de correlación de imágenes de alta velocidad (DIC) para la medición de la vibración y la detección de daño por delaminación en placas compuestas tipo panal de abeja. El estudio contempló la preparación de cinco escenarios de daño por delaminación, de diferentes formas y tamaños, más una placa sin daño, y la implementación de tres métodos de detección de daño basados en la curvatura de los modos de vibración: two dimensional gapped smooth method (TDGSM), uniform load surface method (ULSM) y strain energy method (SEM). Se midió la vibración de las placas con un sistema DIC de alta velocidad, en rangos cercanos a sus frecuencias naturales. Con los datos obtenidos mediante el sistema DIC se pudieron obtener los modos de vibrar de las placas, para los distintos escenarios de daño, pudiendo contar con al menos seis modos de vibración por placa. Estos datos fueron tratados con un algoritmo de suavizamiento y recuperación de datos. Posterior a esto, se aplicaron las metodologías de detección, utilizando la información de las placas con y sin daño. Se obtuvieron grá ficos de contorno de los índices de daño obtenidos con los métodos de detección, los cuales proporcionaron imágenes similares a radiografías de las placas. Los resultados obtenidos probaron la efi cacia de los métodos de detección de daño al utilizar la información obtenida mediante el sistema DIC. La curvatura de los modos de vibración es una característica altamente sensible a cambios locales en la estructura, y esta propiedad es la base de todos los métodos de detección utilizados. . Todos los métodos fueron capaces de detectar tanto la localización como parte de la severidad de los escenarios de daño estudiados. En los casos de daño múltiple, en su mayoría, las metodologías solo pudieron detectar uno de los daños presentes en la estructura. Destacó el método SEM , el cual fue capaz de detectar un área delaminada pequeña y un escenario de daño múltiple, que no habían sido detectados en trabajos anteriores, con otras técnicas de detección. / Este trabajo ha sido parcialmente financiado por CONICYT

Ingeniero Civil Mecánico / El cosechamiento de energía, proveniente del inglés energy harvesting, es el proceso a través del cual se captura pequeñas cantidades de energía que de otro modo se perderían como calor, luz, sonido, vibración o movimiento. Esta energía puede ser utilizada en distintas aplicaciones, por ejemplo reinyectándose en sistemas que la estén perdiendo o reemplazando baterías en pequeños equipos electrónicos de baja potencia, tales como sensores de monitoreo remoto. En la presente memoria se estudia un sistema vibratorio del tipo wake galloping, con el objetivo de investigar experimentalmente el efecto de la geometría del generador de vórtices de sección cuadrada y tipo placa plana en la potencia obtenida. Para llevar a cabo dicho objetivo se plantean los siguientes objetivos específicos: implementar modificaciones al montaje experimental existente y validar el procedimiento experimental reproduciendo curva de aceleración y frecuencia versus velocidad del viento para el generador de vórtices cilíndrico de sección circular, estimar la potencia obtenida usando como generador de vórtices un cilindro de sección cuadrada y estimar la potencia obtenida usando como generador de vórtices una placa plana. Este sistema, a escala pequeña, puede aprovecharse por ejemplo en túneles de trenes subterráneos, alimentando sensores de monitoreo remotos, pudiendo clasificarse como un sistema de cosechamiento de energía. Las variables en estudio para cada geometría fueron: la velocidad del viento, y la razón de aspecto en distancia X=L⁄D, donde D es el diámetro del cilindro móvil y L es la distancia entre dicho cilindro y el generador de vórtices. Para el cilindro de sección cuadrada además se varía el ángulo de inclinación del mismo con respecto al flujo incidente. Se midió experimentalmente la aceleración del cuerpo vibratorio por medio de acelerómetros instalados al centro del mismo. A partir de los resultados obtenidos, se encuentra que la potencia máxima alcanzada es de ≈312 [mW], utilizando como generador de vórtices un cilindro cuadrado rotado en 12°, a una razón de distancia X=3 y a una velocidad de viento de 7 [m/s]. Para todos los generadores de vórtices estudiados, la máxima potencia se alcanza a la mayor velocidad de viento utilizada: 7 [m/s]. Aunque no es posible establecer un patrón que determine qué distancia X maximiza las potencias obtenidas, se observa sin embargo una tendencia en que los mayores valores de potencia se agrupan en el rango 5≤X≤7 para todos los generadores de vórtices.

Se ha observado que frente a eventos sísmicos de magnitud considerable, las uniones vigacolumna en estructuras de acero pueden presentar fallas, debido a fracturas en la soldadura o deformación plástica de la unión. Esto genera la posibilidad de estudiar sistemas de disipación de energía en las conexiones viga columna. Una alternativa es la incorporación de disipadores en base a SMA (Shape Memory Alloys). Este estudio es de carácter teórico-experimental, donde se describe el comportamiento de un modelo a escala reducida de una estructura de acero de un piso, en cuyas conexiones vigacolumna se usan barras SMA. Previo a la ejecución de ensayos, se modeló la estructura y las acciones en ella, utilizando un programa de análisis no lineal, para tener una estimación en el orden de magnitud de la respuesta del modelo experimental. Las conexiones viga-columna están formadas por 4 barras SMA, y el marco se sometió a ensayos tipo pull-back y registros sinusoidales y de sismos reales en una mesa vibradora de un grado de libertad. Se usan dos tipos de barras: de Nitinol de 2,5 mm de diámetro y de CuAlBe de 3,3 mm de diámetro. Ambos materiales se encuentran en fase austenita a temperatura ambiente y han sido caracterizados con anterioridad en ensayos cíclicos de tracción. La instrumentación incluye acelerógrafos a nivel de losa y de techo, un potenciómetro para medir desplazamiento de techo, y celdas de carga y potenciómetros para medir fuerzas y deformaciones en las barras SMA de cada conexión. A partir de los ensayos tipo pullback se obtiene el período fundamental y el amortiguamiento por decremento logarítmico, resultando 0.52 [seg] y un 2.3% para el marco con barras de Nitinol y 0.47 [seg] y 1.4% para el marco con barras de CuAlBe. Al aplicar el registro de Llolleo N10E escalado en un 25% y 50% al marco con conexiones de Nitinol, se observa reducciones en la aceleración del techo, comparada con la aceleración espectral, del orden del 24% para el registro escalado a un 25% y del 49% para el registro escalado a un 50%. Para el marco con conexiones de CuAlBe, la reducción de la aceleración es de un 14% para el registro de Llolleo escalado en un 25%.

Esta tesis se dedica al estudio experimental de fluctuaciones de densidad, orden o energía cinética en sistemas granulares de partículas esféricas confinadas en una caja poco profunda de geometría cuasi-bidimensional. El sistema es forzado mediante vibraciones sinusoidales ortogonales al plano de la caja contenedora. En particular nos enfocamos en dos sistemas: en el primero se estudian las fluctuaciones de densidad y orden en la vecindad de una coexistencia de fases tipo sólido-líquido; en el segundo se estudian las fluctuaciones de densidad y de energía en un sistema bidisperso de masa que se encuentra segregado. En el primer capítulo, se describen los medios granulares como medios complejos (que varían de comportamiento según sea el contexto físico), como materiales macroscópicos y disipativos, cuyas interacciones naturales son dadas mediante colisiones. Se hace una introducción a los fenómenos específicos que se estudiaron y se comentan trabajos anteriores que contextualizan las fenomenologías estudiadas. El primer caso, corresponde a un montaje cuasi-unidimensional que contiene partículas de acero inoxidable de 1 [mm] de diámetro y de altura un poco menor que dos veces el diámetro de las partículas. En el sistema la longitud horizontal es mucho mayor que la altura de la celda, y su ancho es solo seis veces mayor que el diámetro de la partículas. En un segundo caso se estudia un sistema cuasi-bidimensional compuesto por partículas de acero inoxidable y partículas de poliamida de 3 [mm] de diámetro. La caja que confina los granos tiene medidas tales que las longitudes horizontales son prácticamente iguales y la altura nuevamente no supera los dos diámetros de partícula. En este capítulo se explican también los métodos de adquisición de imágenes y de la aceleración. Además se detalla el proceso de análisis de imágenes para medir la posición y velocidad de las partículas. En un tercer capítulo se definen y analizan brevemente las cantidades físicas observables en que nos enfocamos para realizar este trabajo. En general son definidos como función del espacio y del tiempo, así como de la posición y velocidad de las partículas. Se diferencia también las medidas según la escala espacial de observación; escala microscópica, mesoscópica y macroscópica. En el cuarto capítulo se presentan los principales resultados obtenidos de la investigación realizada. Respecto al problema de la transición de fases tipo sólido-líquido se concluyó que ésta tiene un comportamiento análogo a una transición de primer orden, que es mediada por el crecimiento en intensidad y tamaño de las fluctuaciones de densidad y de orden, donde además se pudo medir la meta-estabilidad del sistema. Respecto al problema de explosiones granulares que se dan en un medio bidisperso de masa que se encuentra segregado y sincronizado con el forzamiento, se observó el fenómeno con dos regímenes de explosiones; uno caracterizado por pequeñas fluctuaciones de densidad y energía en un medio poco segregado, que además es poco regular en el tiempo, y otro régimen que se da en un medio segregado que es más regular en intensidad y tiempo. Se caracterizó la relación entre la dinámica de cada partícula que permanece en un punto fijo rebotando sólo con velocidad perpendicular al comportamiento colectivo de desincronización en cadena de las partículas, donde las partículas adquieren velocidad horizontal, se desincronizan respecto al forzamiento y se pierde parcialmente la segregación. En el quinto capítulo se presentan las conclusiones de la tesis y algunas propuestas de trabajo futuro, temas que quedan pendientes a realizar y que sigan la línea de investigación. Finalmente, en los apéndices se presenta una breve descripción (i) la medida de altura de las celdas, (ii) los diagramas de Voronoi, (iii) técnica de medida a escala mesoscópica, (iv) el método de nivelación del montaje y (v) un artículo publicado referente a las explosiones granulares.

Ingeniero Civil / El presente trabajo desarrolla la implementación de un sistema basado en cámaras de video para la medición de vibraciones estructurales. Dada las limitaciones de montaje y costo de instrumentos como los acelerómetros, normalmente ocupado en Chile, se propone un sistema de monitoreo a través de cámaras comerciales sin la necesidad de intervenir la estructura, es decir, sin recurrir al uso de objetivos o marcadores. Se desarrolla una rutina Matlab para el manejo de imágenes, capaz de realizar tareas específicas de detección y rastreo de puntos de control (esquinas), orientado al monitoreo del desplazamiento y giro relativo de cuerpos. Se recurre a cámaras de video con costes accesibles de mercado y formatos de grabación de alta calidad como las cámaras deportivas GoPro. De forma complementaria se exponen los procesos de edición mínimos para el estudio espacial en vídeos. El sistema propuesto se somete a dos ensayos. El primero se lleva a cabo en laboratorio bajo condiciones controladas y sobre un modelo estructural de cuatro pisos. Paralelamente la estructura se instrumenta con sensores ultrasónicos y acelerómetros para la validación de los resultados del desplazamiento horizontal y los modos naturales presentes en respuesta del modelo. El segundo ensayo se realiza sobre la pasarela vial del centro comercial Costanera Center sin instrumentación alternativa. Los resultados en laboratorio muestran una evidente similitud entre los desplazamientos horizontales registrados por la GoPro y los ultrasónicos. El contenido espectral también se asemeja entre ambos instrumentos y los acelerómetros. Sin embargo, se evidencia la importancia del usuario en el proceso interactivo de medir largos de escala para transformar pixeles a coordenadas métricas. Por otro lado, los ensayos en terreno exponen las limitaciones del sistema en la detección de esquinas para condiciones no ideales y el déficit en el posterior rastreo durante el vídeo. Este hecho se explica, principalmente, por cambios locales de luz producidos por el reflejo del tránsito vehicular.