Esta tesis está relacionada con un proyecto macro cuyo título es "New design and manufacturing processes for high pressure fluid power products" -2004-2008 (acrónimo: PROHIPP), el cual es cofinanciado por la Unión Europea dentro del 6o programa Marco y en donde intervienen 22 entidades de 8 países distintos entre pequeñas y medianas empresas europeas, centros de investigación y universidades.El objetivo fundamental de la tesis es estudiar la apacidad de carga de los cilindros oleohidráulicos, determinando los factores que influyen de manera importante sobre ésta. Se realizaron análisis críticos de las publicaciones más relevantes en relación al tema de capacidad de carga de cilindros, centrando la atención, en aquellos que pudieran brindar mayores aportes para l proyecto. La Norma ISO 13725 (Hydraulic fluid power cylindersmethod for determining the buckling oad", presenta una difícil interpretación de las formulaciones planteadas, además de plantear un modelo que restringe factores tan importantes como a imperfección inicial. El proyecto plantea un algoritmo que permite una fácil aplicación de dicha Norma utilizando cualquier condición de contorno.El proyecto plantea un modelo que describe el comportamiento de los cilindros oleohidráulicos bi-apoyados sometidos a carga axial, involucrando factores presentes en toda aplicación real como son: imperfección inicial (desalineamiento vástago-cilindro), peso propio, momentos por rozamiento y/o excentricidad en los puntos de apoyo del actuador. El modelo permite principalmente determinar la capacidad de carga de un cilindro oleohidráulico, calculando la carga máxima admisible, como aquella que genera una tensión máxima a lo largo del actuador, equivalente a la tensión de fluencia del material. Además, el modelo permite determinar curvas de deflexión, momentos y tensiones a lo largo de un cilindro oleohidráulico, sometido a una carga dada. Se ha construido un banco de ensayos para alidación de los resultados teóricos obtenidos con el modelo propuesto. Este banco permitió la creación de una base de datos experimental de más de 100 pruebas destructivas para la determinación de la carga máxima admisible de cilindros. El banco ha permitido la medición de variables importantes en el fenómeno, como son deflexión del cilindro oleohidráulico, carga aplicada mediante la presión interna del fluido en el tubo-cilindro, esplazamiento del vástago dentro del tubo (compresibilidad del aceite), tensiones en el vástago (microdeformación), etc. Se ha empleado un ilindro 'prueba' como base de experimentación y validación del modelo propuesto.Como resultado de los análisis teórico-experimentales del proyecto se ha podido concluir lo siguiente:La inclusión del peso propio (100 N) del cilindro 'prueba', ha significado tan solo, una reducción del 2% de su capacidad de carga. La variación de la capacidad de carga debida a la imperfección inicial (debido a las tolerancias lógicas de un buen diseño y una buena fabricación) es mucho menor que la variación de capacidad de carga debida a las condiciones de contorno reales que se manifiestan en las articulaciones. El desgaste del anillo guía en un 5% de su espesor inicial (efecto que se produce básicamente en los primeros 1000 ciclos) representa una disminución de la capacidad e carga de un 10%.Hay que mencionar que a partir de los 1000 ciclos no hay variaciones significativas en el desgaste del anillo guía.Como conclusión final y recomendación del proyecto e puede afirmar que los efectos de rozamiento siempre deben minimizarse al máximo, tanto si es a favor o en contra de la capacidad de carga. En aquellas aplicaciones donde el cilindro oleohidráulico acciona un mecanismo y los efectos del rozamiento van en contra de la capacidad de carga, se aconseja calcular el cilindro oleohidráulico con un momento externo aplicado en la articulación del lado vástago (lado más débil y de valor igual al producto de la carga axial aplicada multiplicada por una excentricidad aparente, de valor m dP 2 (μ coeficiente de rozamiento y dP el diámetro del pasador).La utilización de cojinetes de baja fricción puede garantizar un funcionamiento prolongado con mínimo desgaste de los pasadores y fuerzas de fricción muy bajas, y reducir así, el riesgo de un mal diseño debido a la incertidumbre de estas fuerzas. / This thesis is related to a macro project whose title is "for New design and manufacturing processes for high pressure fluid power products " -2004-2008 (acronym: PROHIPP), which is co financed by the European Union and where take part 2 organizations of 8 different countries between small and medium European companies, research centres and universities. The main objective of the thesis is to study the load capacity of the hydraulic cylinders, determining the factors that influence of important way over it. Critical analysis of some publications in relation to the subject of load capacity of cylinders were made, giving importance at which could offer greater contributions for the project. Norm ISO 13725 (Hydraulic fluid power -cylinders- method for determining the buckling load), presents a difficult interpretation of the raised formulations, and its proposed model omits as important factors as the initial imperfection. The project develops an algorithm that allows an easy application of this Norm using any boundary conditions.The project proposes a model that describes the behaviour of the pined-end hydraulic cylinders under axial load, involving present factors in all eal application like: initial imperfection (misalignment between piston rod and tube-cylinder), own weight, moments by friction and/or eccentricity in the end points of the actuator. The model allows mainly determining the load capacity of a hydraulic cylinder, calculating the maximum permissible load, which generates a maximum stress throughout the actuator, equivalent o the yield stress of the material. In addition, the model allows determining curves of deflection, moments and stresses throughout the hydraulic cylinder under a given load.A test bench has been designed and constructed to validation of the obtained theoretical results with the proposed model. This bench allowed the creation of an experimental data base of more than 100 destructive tests for the determination of the permissible maximum load of cylinders. The bench has allowed the measurement of important variables n the phenomenon, like deflection of the hydraulic cylinder, load applied by means of the internal pressure of the fluid into the tube-cylinder, displacement of the piston rod within the tube (compressibility of the oil), stresses in the piston rod (microdeformations), etc. A 'test' cylinder has been used as base of experimentation and validation of the proposed model.As result of the theoretical-experimental analysis f the project has been able to conclude the following: The inclusion of the own weight (100 N) f the 'test' cylinder has meant only a reduction of 2% of its load capacity. The variation of the load capacity due to the initial imperfection (due o the tolerances of a good design and a good manufacture) is much smaller than the variation of oad capacity due to the real boundary conditions that are presents in the pin-ends. The wear of the guide ring in a 5% of its initial thickness (effect that takes place basically in the first 1000 cycles) represents a decreasing of the load capacity of a 10%. It is necessary to mention that rom the 1000 cycles there are no significant variations in the wear of the guide rings. As final conclusion and recommendation of the project an be affirmed that the friction effects always must be diminished to the maximum, as much if it is favourable or against the load capacity. In those applications where the hydraulic cylinder drives a mechanism and the effects of the friction go against the load capacity, is advised to calculate the hydraulic cylinder with a external applied moment in the pin-end of the side piston rod (weaker side) and of equal value to the product of the applied axial load multiplied by an apparent eccentricity, of value m dP 2 (μ: friction coefficient, dP diameter of the pin). The use of bearings of low friction can guarantee a prolonged operation with minimum wear of the pins and low forces of friction, and therefore reduce the risk of a bad design due to the uncertainty of these forces.

El objetivo general del presente trabajo de título es el estudio de un modelo de rotulas plásticas o plasticidad concentrada que representa el comportamiento de barras de acero utilizadas para refuerzo longitudinal en hormigón armado y que permite obtener la curva tensión-deformación promedio de barras sometidas a carga monotónica de compresión. Para realizar este estudio el trabajo se divide en tres etapas, primero se recopila información de programas de ensayos de barras en compresión para realizar comparaciones entre los ensayos y los resultados del modelo; luego se realiza un análisis de sensibilidad sobre algunos parámetros analíticos del modelo y variables experimentales para poder cuantificar la influencia que tiene cada uno de ellos sobre los resultados; y por último se implementa un modelo de plasticidad distribuida y se compara con el modelo de plasticidad concentrada. Las comparaciones entre los ensayos y el modelo de plasticidad concentrada indican que el modelo representa de buena manera la forma de las curvas y prácticamente en todos los casos la zona de degradación de capacidad. Sin embargo, se advierten diferencias entre ellos ya que la tensión máxima difiere hasta en un 20%. Mediante el análisis de sensibilidad es posible explicar estas diferencias identificando algunos de los parámetros y variables que influyen más en el resultado del modelo. Estos son: la tensión de fluencia, la tensión máxima, la longitud de la rótula plástica y el largo de la barra. El modelo de plasticidad distribuida se utiliza para tratar de representar de manera más detallada lo que ocurre en la realidad, donde las deformaciones no ocurren dentro de una rótula plástica sino que a lo largo de todo el elemento. Sin embargo la definición de material y la condición de empotramiento perfecto condicionan que los resultados no sean exactamente los esperados. Aún así el modelo resulta de utilidad y sugiere posibles mejoras en el modelo de plasticidad concentrada, como modificar la longitud de rótula plástica haciéndola dependiente del largo de la barra.

En las zonas sísmicas, las columnas de hormigón armado, sometidas a cargas cíclicas, sufren desplazamientos laterales. Bajo cargas importantes, la respuesta de las columnas entra en el rango plástico, lo que induce daños importantes: descascaramiento, pandeo de las barras longitudinales, falla por fatiga de bajos ciclos. Durante sismos moderados o fuertes, la amplitud de deformación unitaria puede fácilmente sobrepasar el 2% favoreciendo el posible pandeo de las barras de refuerzo y producir ruptura a un número de ciclos menor a 100. De esta forma, no se puede despreciar esta causa potencial de falla, lo que motiva el estudio del impacto del pandeo en la fatiga de bajos ciclos. El objetivo general del presente trabajo de título es determinar y cuantificar el impacto del pandeo en la falla por fatiga de bajos ciclos en barras de refuerzo. El estudio, de carácter teórico, pretende proveer información sobre el impacto del pandeo en la fatiga mediante un modelo numérico de plasticidad concentrada capaz de reproducir la respuesta cíclica de barras longitudinales de columnas apoyadas por estribos y susceptibles de pandearse. La metodología desarrollada consiste, en una primera parte, en la validación del modelo numérico en cuanto a su comportamiento cíclico. Este modelo, originalmente, consideraba barras en compresión que se deformaban mayoritariamente por flexión. No obstante, en el caso de este estudio, las barras consideradas están sometidos a ciclos de carga tracción – compresión. A partir de los resultados experimentales disponibles en la literatura, el modelo ha sido modificado y mejorado en cuanto a la representación del comportamiento cíclico de la barra y del pandeo. Una vez calibrado el modelo, la comparación de los resultados numéricos con resultados experimentales, disponibles en la literatura, permitió determinar la importancia del impacto del pandeo en la fatiga de bajos ciclos. Este análisis se basó en distintos parámetros, tales como: la amplitud de deformación, el diámetro de la barra, y la calidad del acero. La razón entre la longitud de la barra y el diámetro se fijó en 6 (seis), siendo consistente con el planteamiento experimental. El modelo analítico revela que esta relación de aspecto puede inducir pandeo. El pandeo al aumentar las tensiones al nivel de las rótulas plásticas, genera degradación de la capacidad global de la barra, lo que es representado por el modelo, mientras que la degradación de la capacidad observada en los ensayos experimentales incluye tanto el posible efecto del pandeo como el de la fatiga. Así, al estudiar el porcentaje relativo de pérdida de la capacidad global de barra por pandeo (analítica) respecto de la pérdida de capacidad de la barra observado en la falla por fatiga de bajo ciclo (experimental), se pudo cuantificar, analíticamente, el efecto del pandeo en la fatiga. Según los resultados obtenidos, al aumentar la amplitud de deformación y mejorar la calidad del acero, el impacto del pandeo en la fatiga tiende aparentemente a ser menor. Comúnmente esta degradación corresponde a un 30-60% a bajas amplitudes de deformación y a un 10-30% a altas amplitudes de deformación.

Ingeniero Civil / Las solicitaciones sísmicas, obligan a las estructuras a deformarse fuera del rango lineal. Una forma de resistir tales cargas, es diseñar vigas que formen rótulas plásticas en sus extremos y roten con respecto a las columnas. Esta capacidad de rotación está limitada, entre otros, por el pandeo local en la zona de formación de rótulas plásticas. Ante la necesidad de cuantificar este efecto, en este trabajo se construye un modelo analítico que representa el pandeo local, a través de la degradación de la capacidad resistente, en un sistema viga-columna de perfiles H. El modelo que se presenta en este trabajo, consiste de un sistema viga-columna que separa la viga en una zona de rótula plástica, que concentra la no-linealidad del sistema, y otra zona de viga lineal-elástica. La zona de rótula plástica está constituida de barras uniaxiales, capaces de pandearse, que trabajan en ciclos de tracción y compresión. Las barras han sido compatibilizadas a nivel de sus deformaciones en los extremos, mediante un sistema de placas rígidas, que imponen la hipótesis de Bernoulli en los extremos de la zona de rótula plástica. Tales barras, han sido modeladas anteriormente por Lastra (2012), usando elementos capaces de concentrar la no-linealidad en sus extremos a través de una ley constitutiva para barras de acero de refuerzo. Los resultados del modelo, son comparados con ensayos experimentales que constan con igual configuración viga-columna. Estas comparaciones se realizan sobre el punto de aplicación del desplazamiento y sobre la unión viga-columna, para los cuales se compara la resistencia máxima y el momento máximo respectivamente. De ellos se observa que el modelo representa el fenómeno de rótula plástica adecuadamente, pero con una imprecisión en la resistencia máxima, que en el peor de los casos alcanza el 20%. El modelo se somete a análisis de variación del largo de rótula plástica y del número de barras que descomponen el perfil. Ambos análisis coinciden en que la relación entre el largo y el diámetro de las barras individuales es el factor que determina la respuesta del modelo. Sin embargo el planteamiento del presente modelo no permite variar de forma continua tal relación, y por tanto no permite ajustarlo a los ensayos experimentales. Queda pendiente para trabajos futuros, modificar la formulación del modelo con tal de hacer esto posible.

Ingeniero Civil / Para determinar el modo de falla y la carga crítica asociada, se realizaron tres tipos de análisis. Bajo el criterio descrito por la norma de diseño AISC, según las fórmulas desarrolladas por Marsh (1997) en su trabajo Design of Single and Multiple Angle Columns and Beams y mediante un análisis no lineal a través del programa de elementos finitos ANSYS, en el cual se realiza un estudio estático tipo Push-Over. La metodología utilizada consistió en calcular la carga crítica y modo de falla dada por cada método de análisis. Además, con los modelos de elementos finitos se determinaron las solicitaciones sobre las placas de conexión de los arriostramientos, tanto su magnitud como la distribución sobre las caras de las placas. Para el desarrollo de la investigación se utilizó una gama de perfiles XL de dimensiones comúnmente utilizadas en la práctica y largos totales de 1.5, 2.5, 5 y 10 metros. Con los resultados obtenidos se generó una clasificación de la falla predominante en los perfiles XL y se definió que la tendencia de los perfiles a fallar por torsión se encuentra relacionada con la razón entre la esbeltez global y local menor a 5.5. Por el otro lado, los elementos que superan este valor muestran fallar por pandeo flexural. Finalmente, para los elementos que fallen por flexión, se recomienda diseñar la conexión de cada cara de la placa para la carga total obtenida. Mientras que para los elementos con falla torsional es posible utilizar la mitad de la carga para cada conexión.

Ingeniera Civil

Autor no autoriza el acceso a texto completo de su documento hasta el 25/11/2020. / Ingeniero Civil

Ingeniero Civil / El estudio del comportamiento de riostras de pandeo restringido conlleva a la necesidad de implementar un sistema de ensayo para poder obtener resultados e información relevante su desempeño sísmico. Estos elementos se componen de un perfil de acero interior rodeado por otro perfil de acero y una capa de mortero u otro material confinante entre ambos, se caracteriza por presentar estabilidad lateral ante demandas axiales alcanzando resistencia similar tanto en tracción como en compresión sin sufrir pandeo, y son útiles ante demandas sísmicas actuando como disipadores de energía. El objetivo del presente trabajo es el diseño y construcción de un sistema de ensayo de tracción y compresión para riostras de pandeo restringido. Dicho sistema es capaz de proporcionar la carga de manera axial solamente mediante un actuador hidráulico de 25 [ton] de capacidad. El sistema de ensayo entrega como resultado las curvas de carga versus desplazamiento para caracterizar cuantitativamente el desempeño de los prototipos de riostra en términos de disipación de energía ante la acción cíclica, y posee un sistema de control sencillo para poder aplicar los ciclos de carga de acuerdo a las disposiciones y recomendaciones para este tipo de ensayos. Para llevar a cabo lo anterior se implementó el sistema de ensayo en el laboratorio de estructuras del Departamento de Ingeniería Civil de la Universidad de Chile, donde se dispuso la instalación estructural lo suficientemente resistente para soportar las cargas generadas durante los ensayos. Como resultado se tiene un sistema que entrega mediciones confiables y son útiles para caracterizar cada prototipo ensayado, además de poseer un sistema de montaje y operación lo más sencillo posible.

Ingeniera Civil / Los marcos con riostras de pandeo restringido (BRBFs) están siendo recientemente introducidos en Chile, considerando sus ventajas por sobre los marcos concéntricos convencionales (CBFs), sin embargo, aún no han sido incluídos en las normas de diseño sísmico. En este estudio se diseñan bajo el código chileno tres edificos de oficinas, de 4, 9 y 15 pisos, con la misma planta tipo y estructurados con marcos BRBF, para luego evaluar su desempeño sísmico. Las estructuras se asumen localizadas en la costa central del país, donde la sismicidad está dominada por grandes sismos de subducción. Los diseños quedan controlados en todos los casos por el corte basal mínimo especificado en la norma, mientras que los diseños de 9 y 15 pisos quedan controlados también por el desplazamiento máximo entre pisos. Los edificios resultantes son modelados considerando las no linealidades más importantes del problema y luego son sometidos a dos tipos de análisis no lineales: estático (pushover) y análisis no lineal dinámico (tiempo-historia), para el cual se utilizan nueve registros de aceleración de terremotos chilenos, de los últimos diez años . El desempeño de los prototipos es evaluado en términos de corte basal, distorsión de pisos, importancia de los efectos de segundo orden y probabilidad de colapso. Finalmente se obtienen los factores de modificación de respuesta sísmica, que son calculados para concluir respecto a la importancia de la sobrerresistencia y ductilidad de los diseños resultantes. Los resultados de los pushover muestran una alta ductilidad en la respuesta de las estructuras pero con una sobrerresistencia limitada. Los resultados de los análisis tiempo historia muestran que con la norma chilena actual, las estructuras exhiben un comportamiento adecuado y poseen una reserva de capacidad significativa.

The energy dissipators are passive components that are incorporated into buildings and other structures undergoing dynamic excitations, especially earthquakes. Its purpose is to absorb the greatest part of the input energy, thus protecting the main structure. These devices are not a part of the main load-carrying system and therefore can be easily replaced after suffering serious damage. These devices are connected to the structure to be protected in such a way that they experience large strains under the action of the earthquakes; such strains produce the energy absorption. In building structures, the dissipators are installed in frames, usually in concentric bracing bars (either diagonal or chevron braces) since the interstory drifts generate significant distortions in these elements. Various types of dissipators have been proposed for building structures. Those based on yielding of metals, commonly known as hysteretic, are distinguished by their simplicity, economy and robustness; among them, the so-called buckling restrained braces have experienced a remarkable development because of their important advantages. The buckling restrained braces consist of concentric bracing bars composed by a slender steel core surrounded by a stockier casing, usually made of mortar and / or steel. It is crucial that there is a sliding interface between the core and the cover, to prevent relevant shear stress transfer. When the core is pulled or pushed it yields; the casing prevents the buckling of the core. These cycles of tensile and compressive yielding constitute the hysteresis loops through which the energy is dissipated. Despite relevant experience exists on buckling restrained braces (both on research and practical applications) many questions still remain unanswered. In particular, no reliable and accurate model of the structural behavior has been proposed. This lack prevents a deep understanding of the complex phenomena that occur during the operation of these elements, and hinders the development of innovative solutions. This work aims to improve the knowledge about the behavior of these devices, developing a comprehensive numerical model that opens the door for future developments. The results obtained with the proposed numerical model are compared with experimental results obtained at the University of Girona and the University of California.