Ingeniero Civil / El presente trabajo de título tiene por objetivo identificar los principales modos de falla en perfiles armados XL sometidos a carga cíclica y su vinculación con propiedades geométricas y de comportamiento estructural. Parámetros estudiados son las fuerzas máximas de tracción y compresión, la degradación de la capacidad compresiva, la ductilidad y las fuerzas en las conexiones con la placa gusset y en la intersección de las diagonales. Adicionalmente, se comparan los efectos de utilizar dos espaciamientos de placas separadoras: cada un cuarto y un octavo del largo total del arriostramiento. Para proceder, se realiza un análisis no lineal de tipo pushover en el software de elementos finitos ANSYS Workbench 15. Se estudian en total 74 elementos, con secciones variando en altura de 80 a 400 mm, espesores de 4 a 16 mm y largos de 3 a 6 m. Como resultado, se establece una relación entre el modo de falla y el cociente entre la esbeltez y la compacidad de la sección transversal: perfiles con una relación de esbelteces mayor a 10 tienden a fallar por flexión; cuando la razón está comprendida entre 6 y 10 fallan por flexotorsión, mientras que para valores menores a 6 lo hacen por torsión. Se identifica que los perfiles con una relación de esbelteces menor a 4 no experimentan deformaciones laterales ni aparición de una rótula plástica, por lo cual presentan una alta ductilidad y prácticamente nula degradación en la capacidad compresiva. En cuanto a las fuerzas en las conexiones, los casos más desfavorables se vinculan con perfiles con falla flexotorsional y flexural, ya que las demandas tienden a ser crecientes con la relación de esbelteces para los ejes de las conexiones que concentran las fuerzas más críticas. Finalmente, se recomienda distanciar los interconectores a un cuarto del largo total, por cuanto se aumenta la capacidad de deformación inelástica y se disminuyen las fuerzas en las conexiones. Además, se sugiere evitar la implementación de perfiles con falla flexotorsional, ya que mostraron fallar prematuramente y además, producto de la forma de pandeo, suponen costos de reparación mayores.

Ingeniero Civil / Los arriostramientos convencionales de acero se pandean en compresión y se fracturan en pocos ciclos. Por dicho motivo se propone como elemento de protección sísmica, un arriostramiento de pandeo restringido que usa un material no tradicional para confinar el elemento de acero con el fin de evitar el pandeo. Este trabajo tiene como objetivo estudiar experimentalmente el comportamiento de un arriostramiento de pandeo restringido por un material no tradicional ante solicitaciones monotónicas y cíclicas. El ensayo consiste, básicamente, en imponer a los arriostramientos desplazamientos monotónicos o cíclicos, alternadamente de tracción y compresión, a niveles crecientes de amplitud hasta llegar a la falla del elemento. Además se verifican las propiedades dinámicas (módulo de corte G y amortiguamiento β) del elastómero utilizando una máquina para ensayar probetas a corte directo y las propiedades mecánicas del núcleo de acero. Se fabrican 4 probetas con distintas configuraciones del tubo exterior y de la interfaz entre el núcleo y el material confinante. La primera consta de un tubo cuadrado, una interfaz no adherida o unbonded; la segunda consta de un tubo cuadrado, una interfaz unbonded; la tercera consta de un tubo cuadrado, una interfaz adherida o bonded y la cuarta consta de un tubo exterior cuadrado con tapas en sus extremos, una interfaz unbonded. A la primera se le aplica una acción monotónicamente creciente y a las otras tres acciones cíclicas crecientes en magnitud. Se concluye que el nuevo material confinante restringe parcialmente el pandeo del núcleo de acero, los ciclos de histéresis presentan mayor capacidad en tracción que en compresión, en tracción se observa la fluencia del acero y los arriostramientos tienen capacidad de disipación de energía. Además, el peso del prototipo es menor que los arriostramientos rellenos con mortero de hormigón, lo que avala continuar con el estudio de estos prototipos. Esta investigación es financiada por el proyecto CA13I10026 del Programa IDeA Fondef Conicyt.

Ingeniero Civil / El presente trabajo de título tiene como objetivo estudiar los modos de falla predominantes en perfiles XL de acero estructural sometidos directamente a cargas monotónicas y cíclicas incrementales, con el fin de comprobar si se cumplen las relaciones entre la curva de pandeo y las relaciones geométricas de esbeltez encontradas en memorias anteriores. Para ello se llevan a cabo 6 experimentos en el Laboratorio de Estructuras del Departamento de Ingeniería Civil de la Facultad de Ciencias Físicas y Matemáticas de la Universidad de Chile, donde se prueban 3 pares de perfiles XL diseñados en base a las normas de la AISC, conformados por ángulos de iguales dimensiones, soldados a placas gusset de iguales características, y con 3 conectores intermedios soldados ubicados en los cuartos de su longitud de pandeo, variando solo esta última medida entre los pares, nombrados como cortos , intermedios y largos . Durante los ensayos se utilizan LVDT s, inclinómetros y una celda de carga para registrar los desplazamientos de la sección transversal, el cambio de longitud de los especímenes, los movimientos del montaje experimental, y la fuerza de reacción provocada por la riostra. El resultado esperado era que los perfiles más cortos mostraran un pandeo torsional, que los de longitud intermedia tuvieran un pandeo flexo-torsional, y que los más largos exhibieran un pandeo de flexión pura. Sin embargo, los 6 perfiles XL manifiestan un pandeo de flexión en torno a su eje geométrico vertical, por lo que no se cumple la relación entre su esbeltez y el modo de falla encontrada en los estudios numéricos de elementos finitos. No obstante, hay que mencionar que los experimentos se diferenciaban de los modelos en las restricciones de desplazamiento y giro del conector central y en la esbeltez local de los ángulos. Por otro lado, todos los especímenes muestran una rótula plástica ubicada en el ala horizontal de un ángulo, entre el conector central y uno extremo, que separa la riostra en 2 tramos y permite la libre rotación de ambas partes en los desplazamientos a compresión, donde se propaga paulatinamente una grieta por fatiga de material, es decir, sin falla frágil, siendo este mecanismo el que produce la mayor disipación de energía. Además, la deformación fuera del plano durante la compresión es tan grande que se produce la fluencia del material en las fibras traccionadas por flexión, en el ángulo opuesto de la formación de la rótula, que luego se manifiesta como un pandeo en aquel punto al momento de enderezar el perfil. Finalmente, 4 de los perfiles superan la capacidad esperada a compresión, mientras que los perfiles cortos solo sobrepasan la nominal calculada con la fluencia experimental del acero componente. Asimismo, ningún espécimen fue capaz de superar la capacidad nominal a tracción dada por la fluencia del estudio de materiales.

Los requerimientos actuales para el diseño sísmico de elementos de hormigón armado exigen un adecuado detallamiento de las zonas donde se espera que ocurran deformaciones inelásticas. En dichas zonas, se espera que los valores alcanzados por la amplitud de las deformaciones unitarias sean significativos, ya que durante sismos moderados dicha amplitud puede sobrepasar el 2%. A partir de ensayos cíclicos en elementos estructurales de hormigón armado, se observan tres modos de falla que pueden asociarse a la pérdida de ductilidad. Estos modos de falla son los siguientes: falla por compresión en el núcleo de hormigón debido a falta de confinamiento, pandeo por compresión en las barras de refuerzo longitudinal y fatiga de bajo número de ciclos en las barras de refuerzo longitudinal. El presente trabajo de título tiene como objetivo estudiar alternativas que permitan modelar la fatiga de bajo número de ciclos en las barras de refuerzo longitudinal en elementos estructurales de hormigón armado. El trabajo, de carácter teórico, pretende proveer información referente a la degradación de la capacidad resistente en el refuerzo longitudinal considerando la degradación cíclica producto de la fatiga de bajo número de ciclos, considerando además el efecto conjunto del pandeo al cual éstas barras son susceptibles de experimentar. En la actualidad, existe un modelo numérico de plasticidad concentrada desarrollado por Massone y Moroder (2009), validado por Lacaze (2009), capaz de representar la degradación en la capacidad resistente del refuerzo longitudinal producto del pandeo. Utilizando este modelo como base se incorporan diferentes alternativas que permiten modelar la degradación cíclica en el refuerzo. En este caso la metodología aplicada consiste en utilizar modelos de fatiga de materiales existentes en la literatura. Con esto es posible implementar el modelo de degradación cíclica para así determinar el efecto conjunto del pandeo y de la fatiga de bajo número de ciclos. La validación y calibración del modelo se realiza en base a los resultados experimentales disponibles en la literatura. Al comparar los resultados analíticos con los resultados experimentales, fue posible cuantificar la disminución en la capacidad resistente del material, llegando a disminuciones cercanas al 25%, dependiendo de la amplitud de deformación a la cual está sometido el espécimen. El modelo es capaz de representar el efecto que considera que a mayor amplitud de deformación, menor es la cantidad de ciclos para la falla del elemento. Por otra parte, el modelo permite representar la degradación cíclica del material pero no fue posible representar la última etapa de la degradación cíclica, correspondiente a la fractura del refuerzo producto del daño progresivo que experimenta el elemento.

Ingeniera Civil / El terremoto del 27 de febrero de 2010 dejó numerosos daños que afectaron parte de la obra gruesa de las construcciones en el país. Uno de los patrones más observados fue a nivel de subterráneos y primer piso donde suelen variar la distribución estructural y forma de los muros. Las cabezas de los muros es la zona donde se encuentran las mayores deformaciones de compresión producto de las cargas de flexión y compresión provocando el descascaramiento del muro. Éste fenómeno deja expuestas a las barras de refuerzo, enfrentándolas a la acción sísmica sin restricciones laterales mas allá de los estribos, provocando inevitablemente pandeo en ellas. Esta Memoria de titulo tiene como propósito comprender, a través de ensayos experimentales, el comportamiento a la fatiga con bajo número de ciclos de las barras de acero utilizadas en la construcción de elementos de hormigón armado. Se quiere determinar el número de ciclos que son necesarios para que distintas barras de refuerzo fallen por fatiga tras exponerlas a niveles altos de deformación. Además se desea incorporar el pandeo de las barras, ya que en la literatura actual no se ha abordado éste tema. El objetivo de cargar las probetas de forma cíclica es simular un movimiento sísmico y ver el comportamiento de cada una de ellas variando sus características geométricas. Con éste propósito se varían seis relaciones largo/diámetro (L/d) en el caso de barras Φ 8 y 4 relaciones L/d para Φ 16 sometiéndolas a diferentes rangos de deformaciones que varían entre un 1% y un 5% aproximadamente. Además de demostrar que la relación largo/diámetro tiene poco impacto en el comportamiento de las curvas (obteniéndose un leve aumento en el número de ciclos para el mismo nivel de deformación), se observa la similitud con los modelos existentes en la literatura.

El refuerzo longitudinal dentro de elementos de hormigón armado puede ser solicitado en compresión a niveles que lo lleven a la falla, comúnmente por del pandeo de las barras. Las observaciones experimentales de este fenómeno muestran que el pandeo puede producirse en longitud igual a la separación de refuerzo transversal (pandeo local de refuerzo) o incluso alcanzar una longitud mayor, deformando los estribos dentro del tramo involucrado (pandeo global de refuerzo). El objetivo del presente trabajo es representar el comportamiento del refuerzo longitudinal en compresión monotónica considerando el caso de pandeo global, introduciendo el efecto del refuerzo transversal en el análisis. Con estos fines se adapta el modelo existente de Massone & Moroder (2009) modificado por Lacaze (2009) que concentra la curvatura en el giro de 4 rótulas plásticas y reproduce la curva σ-ε de una barra en pandeo local. La adaptación realizada consiste en introducir las fuerzas asociadas al refuerzo transversal dentro de la longitud de pandeo. Los estudios sobre el tema indican que la inclusión de los estribos debe ir acompañada por el efecto que la expansión del núcleo de hormigón tiene sobre ellos, para no sobreestimar su rigidez. Luego se requiere: (1) modelar la expansión del hormigón que efectivamente afecta a los estribos, lo cual se realiza considerando el modelo de Pantazopoulou (1998) ajustada a mediciones experimentales de la literatura; y (2) modelar la forma en que afectan las fuerzas de los estribos a la barra, para lo cual se considera que parte de la fuerza se transfiere directamente al núcleo de hormigón en expansión y el resto es equilibrado por esfuerzos internos en la barra. Para determinar el largo de pandeo de la barra se evalúa su comportamiento para modos de falla de 1 a 10 (donde el modo "i" considera una longitud igual a “i” veces el espaciamientos de estribo, incluyendo en el análisis los “i-1" estribos dentro del largo) y se elige aquel modo que entrega el menor máximo de tensiones. Este criterio para seleccionar el modo de pandeo es consistente con el criterio de carga crítica de pandeo ampliamente usado. El modelo propuesto es validado por el modo de pandeo que reproduce comparándolo con los resultados obtenidos en otros modelos y observaciones experimentales presentes en la literatura. Los errores en la predicción del modo son comparables a los del modelo de Dhakal & Maekawa (2002), permitiendo además, obtener la curva σ-ε para la barra en pandeo global. Los resultados obtenidos tienden a estar ligeramente bajo los observados, mostrando una tendencia a entregar modos de pandeo impares y no capturar de buena forma los casos donde el refuerzo longitudinal es de acero de alta resistencia. El promedio de error en la predicción del modo es de -0.59, el cual es un valor razonablemente bueno considerando que la batería de ensayos utilizada abarca modos de falla observados de 1 a 8.

Ingeniero Civil / En el trabajo de título se estudia el comportamiento de muros esbeltos sometidos a cargas axiales, y se analiza el papel que cumple el confinamiento en él, todo esto, basado en los daños observados en el último terremoto del 27 de febrero de 2010.Los elementos esbeltos buscan semejar los bordes de muros que durante un sismo son sometidos a cargas axiales. Para realizar lo anterior, se estudia experimentalmente el comportamiento de elementos (probetas) de borde de muros de hormigón armado sometidos a cargas axiales, analizando la influencia que tiene el tipo de confinamiento (estribos) en la respuesta global de los elementos, entre otros parámetros. Se construyeron 24 y se ensayaron10probetas de hormigón armado, de manera de comparar cada una de las respuestas obtenidas, para concluir sobre la influencia real del confinamiento en los elementos, en cuanto al aumento de ductilidad, y la restricción que proveen para evitar o controlar el pandeo de las barras longitudinales de refuerzo. Mediante el estudio experimental realizado, se determinó, en primer lugar, que al darle cierto confinamiento al elemento de hormigón armado, este es capaz de aumentar su capacidad de deformación, degradando más paulatinamente la resistencia a la compresión, y por ende, disipando una mayor cantidad de energía. Además, como las probetas no se restringieron para deformaciones fuera del plano para una carga de compresión pura, se produjo un pandeo global característico en las probetas con confinamiento, en su eje débil, reduciendo la capacidad del elemento. Por esto último, también se apreció un pandeo local del refuerzo longitudinal en forma de S , abarcando, en algunos casos, más de dos estribos consecutivos sin asegurar la relación de aspecto otorgada por ellos. Los ganchos con dobleces en 90º no fueron capaces de restringir el pandeo de las barras para deformaciones más allá del 1%. En general el comportamiento de las probetas tuvo un buen ajuste con el modelo predictivo escogido, presentando variaciones de menos de un 25% en todos las probetas de 1 metro de longitud.

Tesis para optar al grado de Magíster en Ciencias de la Ingeniería, Mención Ingeniería Sísmica / Los grandes estanques de acero atmosféricos, verticales y cilíndricos apoyados directamente en el suelo con el fondo plano son las estructuras más utilizadas para el almacenamiento de líquidos, tales como: petróleo, ácido sulfúrico, gas natural licuado, agua potable y líquidos criogénicos. Estos estanques han presentado daños reiterados durante grandes terremotos a nivel mundial, principalmente el pandeo del manto tipo pata de elefante , deslizamientos horizontales y en algunos casos colapsos, a pesar de estar diseñados con códigos ampliamente utilizados como son API 650-E para almacenamiento de petróleo, AWWA D100 para agua y NZSEE para cualquier tipo de líquido. En este trabajo se ha aplicado el método de Análisis Sísmico Backward (ASB) con información obtenida de 69 estanques en operación durante importantes terremotos subductivos: Valdivia 1960, Chile Central 1985, Tocopilla 2007, El Maule 2010, además de Alaska (1964) y otros ocurridos en Estados Unidos entre 1933 y 1995 (subductivos y corticales), siendo esta tesis el único trabajo disponible con esta categorización y resultados que definen el origen de los daños y medidas de mitigación. El método ASB consiste en evaluar el comportamiento sísmico de estanques de acero, considerando las características del estanque en operación durante el sismo: geometría general y espesores de planchas, altura de llenado, tipos de suelos de fundación, códigos de diseño utilizados, registros sísmicos, directividad sísmica, sin daños observados, con pandeo del manto y colapsos. Se ha identificado que el efecto inercial no vibratorio es característico de los mega terremotos de subducción en zonas costeras, esto ocurre de manera simultánea con las altas aceleraciones verticales del suelo y genera en los estanques grandes desplazamientos horizontales, este fenómeno no está considerado en los códigos de diseño sísmico para estanques de acero. En este trabajo se ha concluido que no hay correlación entre modelos teóricos analíticos, ensayos experimentales (mesas vibratorias) y lo observado con el método ASB, dado que en los modelos computacionales no se consideran las condiciones reales de los estanques en operación, tales como: efecto del manto delgado, comportamiento del líquido (leyes de similitud), imperfecciones en el manto, condiciones reales del suelo y los efectos de la directividad sísmica. En este trabajo se entregan recomendaciones para corregir las prácticas usuales en el diseño sísmico en estanques de acero, reduciendo los riesgos de daños y colapsos. Lo anterior, considerando las imperfecciones de las planchas del manto en el cálculo de las tensiones admisibles, incorporación de sistemas de anclajes, reducción de la demanda sísmica convectiva y una ecuación para estimar el deslizamiento cosísmico horizontal de estanques no anclados.

Ingeniero Civil / Este trabajo tiene como objetivo modelar el comportamiento del pandeo local del ala en vigas doble T de acero. Para tal efecto, se adaptó el modelo propuesto por Massone & Moroder (2008), que luego fue modificado por Lacaze (2009), para el pandeo en barras de refuerzo en muros de hormigón armado, subdividiendo las alas de la vigas en barras circulares que tuvieran un área equivalente a una sección cuadrada de ancho igual al espesor del ala. Se consideró realizar el análisis en el programa de elementos finitos OpenSees, el cual posee las herramientas para poder definir de manera adecuada el problema. La versión de Opensees que se utiliza en el modelo es la v. 2.3.2. En esta memoria se considera sólo el caso de una viga sometida a una carga puntual, considerando que la viga falla según el Modo 1 definido por Earls (2000), es decir, que existe pandeo en el plano de la sección. Los resultados de los análisis son comparados con ensayos experimentales realizados por SAC 1997-06, donde se registra el momento último v/s la capacidad de rotación de la viga, cuando se ve sometida a cargas cíclicas debido a un desplazamiento vertical en el apoyo de la viga. La metodología utilizada consistió en una recopilación de antecedentes e información sobre el pandeo local en vigas de acero. Luego, se reprodujo el modelo propuesto por Massone & Moroder (2009) en Opensees, y finalmente, una vez terminado el modelo, se implementó éste a una viga de acero con sección transversal doble T. Los resultados sugieren que el modelo es capaz de reproducir correctamente el pandeo en una viga de acero, cuando se ve sometida a un esfuerzo de flexión

Ingeniero Civil Estructural / El sismo de febrero de 2010 dio pie a una modificación de la norma de diseño para elementos de hormigón armado oficializándose el decreto D.S N°60. Este propone dos maneras de estimar el nivel de daño en muros para una determinada demanda sísmica. La primera corresponde a un modelo simplificado de rótula plástica mientras que la segunda considera una aproximación más refinada tomando en consideración la componente elástica e inelástica para estimar las curvaturas últimas. En este trabajo se comienza analizando la componente elástica obteniendo expresiones para la curvatura de fluencia y la capacidad de desplazamiento elástico calibrándolas mediante un modelo de fibras numérico no lineal. Estas expresiones son obtenidas para muros de sección rectangular y T, tanto para el ala como el alma en compresión. Se encontró que la componente elástica es altamente dependiente de la carga axial y la cuantía de refuerzo de borde. Por otro lado, se estudia el impacto del acoplamiento en la componente elástica de los muros mediante un nuevo modelo de muros acoplados por losas, encontrándose una gran disminución de la capacidad de desplazamiento asociada a un acoplamiento alto. El estudio de la componente inelástica, por otra parte, permite obtener expresiones generales para estimar la longitud de rótula plástica en función de la deriva (drift) inelástica y de la deriva (drift) total, las cuales son calibradas a partir de análisis numéricos. Estas ecuaciones son utilizadas luego para estimar las curvaturas últimas de los muros mediante las expresiones (1.1), propuesta por el decreto, y una nueva que reemplaza la expresión (1.2) de la misma norma. Esta nueva ecuación toma en consideración las propiedades de los aceros comúnmente utilizados en Chile y es conservadora obteniendo en promedio un factor de seguridad 2.0 en el cálculo de las curvaturas últimas. Finalmente se observó que estimar curvaturas últimas utilizando el modelo simplificado de rótula plástica, en el cual se asume una longitud de rótula igual a 0.5lw, tiene desventajas pues no es conservadora en un gran número de casos y es excesivamente conservadora en otros.