Ingeniero Civil Mecánico / La presencia de una grieta en una estructura, no solo varía las propiedades mecánicas del material, sino que también influye sobre sus características dinámicas. Es por esa razón que el monitoreo de las vibraciones de una estructura es una técnica muy utilizada en ingeniería y permite la detección temprana del daño. Generalmente, la decisión del posicionamiento de sensores de monitoreo, pasa por el juicio y la experiencia del ingeniero a cargo; sin embargo, un error puede provocar que el daño no se detecte. Se han desarrollado variados métodos de optimización de posición de sensores que monitorean el comportamiento dinámico de la estructura. Sin embargo, hasta hoy no existe un procedimiento estándar que optimice la posición y el número de sensores a utilizar, enfocado en la identificación del daño. Se desea desarrollar una metodología para optimizar la posición y número de sensores de monitoreo dinámico en una estructura tipo viga, utilizando algoritmos genéticos paralelos. En particular, se desea encontrar la configuración óptima de sensores cuando se monitorean las frecuencias de anti-resonancia de la estructura. El algoritmo genético es un método de optimización basado en la teoría de la evolución de Darwin, el que ha cobrado una alta popularidad en todo el mundo durante los últimos años, debido a su robustez y a su independencia de la función objetivo. Es un algoritmo matemático que transforma un conjunto de objetos matemáticos usando operaciones modeladas de acuerdo al principio Darwiniano de reproducción y supervivencia del más apto. Dentro de estas operaciones genéticas destacan la mutación y la recombinación sexual. Cada uno de estos objetos matemáticos suele ser una cadena de caracteres (letras o números) de longitud fija denominado cromosoma. Cada gen dentro del cromosoma representa una variable a optimizar. La aptitud de cada cromosoma se mide evaluando en la función objetivo. V Para desarrollar esta metodología, primeramente se encontraron las frecuencias de anti-resonancia de la estructura y luego se determinó su sensibilidad al daño. Seguidamente, se define una función objetivo que relacione la información al daño y la ubicación de los sensores. Esta función es optimizada a través de la programación de algoritmos genéticos paralelos. Finalmente, se realiza una verificación experimental de la metodología creada, utilizando un algoritmo de detección de daño disponible y datos experimentales. Para la programación en elementos finitos y algoritmos genéticos, se utiliza el software MatLab y su extensión GAOT. Para la verificación experimental, se trabajará en el laboratorio de sólidos Mecesup ubicado en la Facultad de Ciencias Físicas y Matemáticas de la Universidad de Chile. Este trabajo es parte del proyecto Fondecyt de iniciación Nº 11110446 desarrollado por la Dra. en Ingeniería Viviana Meruane, Profesora Guía de este Trabajo de Título.

Ingeniero Civil Mecánico / La generación de energía a partir de fuentes renovables no convencionales es una necesidad en el mundo actual. La escasez de combustibles fósiles, la contaminación del medio ambiente, los altos precios de la energía e incluso las políticas públicas de cada país son factores que impulsan el desarrollo de energías renovables no convencionales. En el caso de Chile, la industria eólica alcanza los primeros niveles mundiales en tasa de crecimiento anual de proyectos, haciendo que el mercado eólico se vuelva muy atractivo. Una forma de generar energía a partir del viento es a través de turbinas, estos son elementos mecánicos capaces de transformar la energía proveniente del viento en energía mecánica que posteriormente puede ser aprovechada como energía eléctrica. Existen dos categorías según su eje de rotación: turbina de eje horizontal y turbina de eje vertical. Las turbinas de eje vertical poseen ventajas en cuanto a diseño y construcción. Sin embargo, durante su operación están sometidas a esfuerzos y variabilidad en torque que produce torsión en el rotor. Esta se transmite de componente en componente generando vibraciones torsionales en el eje de la turbina. Una vibración torsional es un tipo de vibración existente en ejes rotores y se puede definir como el movimiento torsional de un rotor respecto a su propio eje. La existencia de vibraciones puede llegar a provocar, durante una fase indetectable, daños severos en la turbina. El objetivo del presente estudio es la construcción de un modelo en elementos finitos para las vibraciones torsionales de una turbina eólica de eje vertical y proponer criterios de diseño y operación que permitan reducirlas. Para desarrollar el modelo, se deben conocer los principios básicos de funcionamiento, identificar los componentes principales y la interacción que existe entre ellos. El modelo desarrollado se basa en una turbina eólica vertical real, la que es modelada en elementos finitos, integrando cada uno de sus componentes principales. Se obtienen condiciones de operación y se desarrolla un modelo Doble Multiple Steamtube que entrega resultados para variables de interés como fuerzas y momentos en el eje. Se realiza el análisis vibracional de modos y frecuencias naturales del modelo de elementos finitos y se resuelven las vibraciones torsionales a través de tres métodos distintos de integración directa: Diferencias centrales, Wilson Theta y Newmark. Con el resultado de las vibraciones torsionales de identifican los componentes que sufren las mayores oscilaciones y se estudian criterios de diseño y operación que logren reducirlas. Una geometría del rotor que permite una mejor distribución de inercia, una alta rigidez torsional y una baja inercia rotacional son factores que permiten reducir el valor de las vibraciones torsionales en la turbina. La inclusión de un tercer álabe al diseño original de dos en la turbina también logra efectos significativos y positivos en las oscilaciones. Finalmente la reducción en la velocidad de rotación de la turbina permite controlar las vibraciones en desmedro de una mayor potencia de generación.

El presente proyecto comprende el análisis y diseño de una estructura de 7 pisos, tanto en el caso que tuviera aislamiento en la base, como si no lo tuviera. La edificación está ubicada en la ciudad de Lima sobre buen suelo, y tendrá como fin el de un Museo. Este proyecto contemplará un análisis comparativo entre los dos diseños y sus respectivos comportamientos. El empleo de aisladores sísmicos en estructuras es una aplicación de la ingeniería civil que busca proteger las estructuras y sus contenidos de los efectos de los movimientos sísmicos. Su aplicación en el Perú esta apenas en sus inicios, sin embargo ya muchos países, tales como Chile, Japón y los Estados Unidos poseen normas y disposiciones relevantes al empleo de estos mecanismos aisladores. Su empleo ha garantizado ser una forma muy efectiva de prevenir los efectos devastadores de los terremotos. / Tesis

El presente proyecto de fin de carrera describe y analiza el estudio integral del efecto de las vibraciones producidas por voladuras superficiales realizadas en el proyecto del “Tercer Juego de Esclusas” ejecutado para la Expansión del Canal de Panamá. Se recopilan un total de 53 registros, data generada por el monitoreo de 7 sismógrafos en 10 voladuras de producción realizadas en el año 2010. El fenómeno vibratorio tiene dos parámetros fundamentales, la velocidad picopartícula (PPV) y la frecuencia dominante, los cuales caracterizan cuan dañino puede ser éste frente a su influencia sobre las estructuras civiles; por ello, se pretende caracterizarlas y fundamentalmente predecirlas, lo que permitirá su debido control. En función a lo expuesto, el estudio realizado consta de dos partes, la primera describe el comportamiento del terreno mediante la estimación de la ley de atenuación de la velocidad pico-partícula a través del uso de la regresión lineal por mínimos cuadrados; la segunda detalla un procedimiento validable para la predicción de la frecuencia dominante y del pseudo-espectro de respuesta de velocidad (PVRS) basada en la teoría de Newmark & Hall. Se ha obtenido: (i) la ley de atenuación del terreno para distintos grados de fiabilidad, (ii) herramientas de diseño de voladuras basadas en la relación de carga – distancia, (iii) la demostración que los valores de PPV se ajustan a una distribución log-normal, (iv) el mapa de isolíneas de PPV para el área de estudio, (v) una técnica detallada y válida para la predicción de la frecuencia dominante y del espectro de respuesta, (vi) formulaciones matemáticas de los factores de amplificación para el desplazamiento, velocidad y aceleración, (vii) mapa de isolíneas de amplificación para el área de estudio. A partir de los resultados obtenidos se proporciona información útil para su uso en el diseño y control de las voladuras posteriores del proyecto. / This project work describes and analyzes the comprehensive study of the effect of the vibrations produced by surface blasting carried out in the "Third Set of Locks" project executed for the expansion of the Panama Canal. A total of 53 records were collected, with the data generated by the monitoring of 7 seismographs in 10 production blasts carried out in 2010. The vibratory phenomenon has two fundamental parameters, the peak-particle velocity (PPV) and the dominant frequency, which characterize how damaging this can be compared to their influence on structures, which is why this is intended to characterize and predict fundamentally, that which allows proper control. Based on the above, the study consists of two parts; the first describes the behavior of the terrain by estimating the attenuation law for peak-particle velocity by using the ordinary least squares regression analysis, the second details a validable procedure for the prediction of the dominant frequency and pseudo-velocity response spectrum (PVRS) based on the theory of Newmark & Hall. The following have been obtained: (i) the attenuation law of the terrain for different degrees of reliability, (ii) blast design tools based on charge-distance ratio, (iii) the demonstration that the values of PPV conform to a log-normal distribution, (iv) the map of isolines of PPV for the area of study (v) detailed and valid technique for predicting the dominant frequency response spectrum, (vi) mathematical formulations of the amplification factors for displacement, velocity and acceleration, (vii) amplification of isolines map for the study area. From the results obtained, the study provides useful information for use in the design and control of blasting for subsequent projects. / Tesis

Breast cancer is one of the greatest problems of national and international public health, whose incidence among women population shows an increasing trend. Nowadays there are several elastographic techniques, which seek to characterize the tissue, that is, to analyze the response produced by the application of a perturbation in the medium, to describe its mechanical properties. Among the modalities used are ultrasound, nuclear magnetic resonance and optical coherence tomography. On the other hand, among the types of disturbance used are low frequency mechanical waves, a uniform compression force or acoustic radiation force. In this thesis work, ultrasound was used due to its low economical cost in comparison to the other modalities. In addition, the type of perturbation selected was the external mechanical vibration, as it ensures the achievement of quantitative results, there is no risk of temperature rise in the analyzed area and allows the repeatability of the results obtained. Hence, two elastographic techniques were the axes of the present work: vibro-elastography and normal vibration holography. For the first, a calibrated phantom and a gelatin-based phantom were used, in order to characterize and validate the technique over a wide range of excitation frequencies. Posteriorly, 18 patients were analyzed prior biopsy exam, obtaining elastograms and contrasting them with the respective biopsy results. The results suggest that the technique is able to identify the presence of benign or malignant cancer, and the elasticity estimated agree with values reported in the literature. The second technique is proposed in the elastography field for the first time. Based on holography, its experimental scheme is established, and the mathematical expression for shear speed estimation is presented. Results from simulation and experiments performed on homogeneous and heterogeneous phantoms are presented, and the estimates are compared with previously obtained reference values. The results suggest that the estimates are close to the reference values for all media tested, and the technique must be studied in depth to revert artifacts formation. / Tesis

En la industria nacional, donde es predominante el uso de máquinas rotativas como turbinas, motores eléctricos, compresores, motores de combustión interna, etc, el fenómeno de las vibraciones es descubierto cuando ya estos están en operación. Las fuerzas y torques de excitación por más pequeñas que sean pueden producir vibraciones de amplitudes inadmisibles en zona de resonancia. El análisis de las vibraciones es muy importante más aun en maquinas reciprocantes donde es muy importante el análisis de vibración torsional, ya que nos hace ver la necesidad de usar algunas técnicas para controlar estas vibraciones. Técnicas como medios disipadores de energía o masas auxiliares acopladas al sistema, que sintonizados con la frecuencia de resonancia y aplicados en las zonas que presentan mayor amplitud de vibración correspondiente al modo de vibración, nos ayudarán a neutralizar las vibraciones que se presenten. El análisis del comportamiento de estos sistemas se hacen por lo general considerando los parámetros de inercia y rigidez constantes, los cuales son estudios válidos, sin embargo existen máquinas con mecanismos más complejos que exigen considerar el comportamiento periódico de sus parámetros, como es el caso del mecanismo biela manivela muy utilizado en la fabricación de máquinas; en esta tesis se tomó a consideración tal comportamiento y se diseñó un absorsor pendular basados en la metodología del diseño, normalizado según la norma alemana VDI, para obtener el diseño óptimo, además de analizar la efectividad en la reducción de la amplitud de vibración torsional de un motor de combustión interna de 2 cilindros en línea y 4 tiempos. Finalmente el desarrollo de esta tesis es una base para posteriores investigaciones donde habría que tomar en cuenta aspectos como la variación constante de la velocidad y la comparación de los resultados obtenidos por simulación numérica y datos experimentales medidos, que no se consideraron en esta tesis. / Tesis

Estudios recientes han demostrado que las propiedades modales de diversas estructuras varían en función de cambios ambientales. Un ejemplo muy estudiado, es el caso del edificio de la biblioteca Millikan del Instituto Técnológico de California (Caltech). En este edificio se ha observado una sensibilidad importante de las frecuencias ante eventos metereológicos, encontrándose variaciones del 3% durante lluvias, un aumento de hasta 2% ante altas temperaturas y una variación diaria del 2%. Estas variaciones presentan una dificultad a los sistemas automáticos que intentan reportar el daño o perturbaciones anormales de una estructura en tiempo real. El presente trabajo tiene como objetivo la identificación de los parámetros modales del edificio de la Cámara Chilena de la Construcción a través del registro continuo de vibraciones, y el análisis de su variación en función de variables metereológicas. La primera etapa de este trabajo fue la validación del método de identificación utilizado, Subespacio Estocástico, en un modelo computacional del edificio. Se ingresaron al modelo 10 registros artificiales de aceleración de ruido blanco en la base. De este procedimiento se concluye que los resultados de las frecuencias identificadas son bastante precisos, con errores menores a 0.5%; en cambio el amortiguamiento presenta una gran sensibilidad, con errores de hasta un 52%. Para el proceso de identificación en el edificio, se midieron aceleraciones durante 7 meses continuos. De todo el período de tiempo, se seleccionaron los primeros 10 minutos de cada hora y se identificaron las primeras 7 frecuencias y sus respectivas razones de amortiguamiento. Para este caso los valores de las frecuencias presentan una variación moderada (2.1% hasta 6.7%), en contraste con el amortiguamiento, que sufre grandes variaciones (168% hasta 264%) en relación al valor medio. Para el modo 1, que corresponde al caso con menor variación, un 99.9% de la muestra tiene valores en frecuencia en el rango 1.004 Hz y 1.026 Hz, con media de 1.015 Hz. La variación con respecto a la media es de 2.1%. Para esta frecuencia el amortiguamiento está comprendido en el rango 0.20% y 1.56%, con media de 0.67%. Para el modo 6, que corresponde al caso con mayor variación, un 99.9% de la muestra tiene valores en frecuencia en el rango 3.761 Hz y 4.020 Hz, con media de 3.895 Hz. La variación con respecto a la media es de 6.7%. Para esta frecuencia el amortiguamiento está comprendido en el rango 0.32% y 3.09%, con media de 1.05%. Posteriormente, se analizó en conjunto los parámetros modales y variables metereológicas. Se observa que las frecuencias estudiadas son afectadas por parámetros climáticos, principalmente, temperatura y precipitación. Todas las frecuencias analizadas presentas ciclos diarios de similar comportamiento a los ciclos de temperatura. Durante 24 horas continuas de un ciclo normal de temperatura y sin precitaciones por ejemplo, la frecuencia asociada al modo 6 tuvo una variación de 7% con respecto a los valores mínimos y máximos identificados en esas 24 horas. En el caso de precipitaciones, éstas tienen una influencia en las frecuencias predominantes de la estructura. En un caso se observó que las frecuencias aumentaron en 1.2%. La variación de la frecuencia comienza casi inmediatamente al iniciarse la lluvia, aumentando su valor durante las precipitaciones y luego comienzan a disminuir paulatinamente hasta el sexto día. Del presente estudio se concluye que las frecuencias modales analizadas varían en promedio 4% debido a factores ambientales. El fenómeno metereológico que más influye en la variación de la frecuencia es la temperatura.

Ingeniero Civil Mecánico / Alrededor de 20% de la energía del mundo es generada por turbinas hidroeléctricas. Como el mercado energético y la disponibilidad de los recursos hídricos son muy variables, las turbinas suelen funcionar con rangos de operación amplios. Sin embargo, estas son diseñadas sólo para un punto óptimo. La operación fuera de las condiciones de diseño puede causar perdida de eficiencia, cavitación o vibraciones excesivas, dañinas para la instalación. Los fenómenos antes mencionados son los que motivan este estudio: Generalmente el operador de una unidad hidroeléctrica ajusta el caudal para cumplir con los requerimientos de potencia impuestos por el ente regulador, dentro de lo que el recurso permite, manteniendo la velocidad de giro de la turbina constante para generar a 50Hz. Este tipo de control pasa por alto el deterioro que puede sufrir la unidad al operar en ciertos rangos de caudal o altura. El objetivo de este trabajo es detectar mediante análisis de vibraciones, la ocurrencia de eventos de cavitación o vibraciones excesivas que acortan el tiempo medio entre fallas de la unidad. Para lograrlo se estudió una instalación de laboratorio en múltiples condiciones de carga para obtener patrones. Luego, en base a estos se tomaran datos en una central hidroeléctrica y se evaluará su condición. El resultado final del trabajo es definir una forma de detectar incipientemente episodios de cavitación en la central, pudiendo evitar los regímenes de carga responsables de ellos y así prevenir la acumulación de daños o desgaste prematuro. El trabajo comprendió: pruebas en una turbina de laboratorio, cambiando carga, caudal y RPM de operación. Posteriormente, para aplicar este modelo se tomaron datos, siguiendo el mismo protocolo, en la Central Chiburgo del grupo Colbún. A partir de los datos de laboratorio se observa que, comparando medidas a distintas condiciones de operación, la cavitación es claramente identificable. No obstante, para establecer un patrón que permita determinar en base a una sola medida la condición del flujo, se requiere analizar diferentes variables y parámetros estadísticos como: Skewness, Kurtosis, aceleración global o crest-factor. El análisis de emisiones acústicas permite de igual manera -y directamente en tiempo real- detectar problemas. Los parámetros que permiten identificar cavitación son monitoreables en tiempo real y permiten realizar un diagnóstico por parte del operador. La Kurtosis resultó ser una herramienta potente ya que permite detectar la aparición de cavitación incipientemente, antes de que los otros parámetros la revelen. La variación de RPM permite mejorar una condición de cavitación cuando se trabaja con caudal cercano al mínimo técnico, y podría permitir generar de forma segura aunque no se alcancen las condiciones establecidas por el fabricante.

Ingeniero Civil Mecánico / El objetivo de este trabajo es desarrollar un algoritmo capaz de detectar, localizar y cuantificar daños en una estructura simple en tiempo real, considerando como daño la disminución en la rigidez en uno o más elementos. Para ello se propuso utilizar Redes Neuronales Artificiales (RNA), que son métodos no explícitos utilizados en problemas de aproximación de curvas, clasificación e identificación de parámetros. Se plantea utilizar como información de entrada del algoritmo las frecuencias de antiresonancia, obteniendo como resultado la disminución de rigidez efectiva para cada elemento de la estructura. El entrenamiento y validación de la red neuronal se realiza en cuatro etapas, las que se señalan a continuación: La determinación de las frecuencias características, resonantes y antiresonantes. Generación de patrones de entrenamiento. El diseño y entrenamiento de la RNA. La validación analítica y experimental, del algoritmo de detección de daños. En la realización de este trabajo se ha conseguido entrenar redes neuronales capaces de detectar hasta 2 daños simultáneos entre 20 posibles ubicaciones a lo largo de una viga. Los resultados fueron validados con datos de vigas experimentales, a las que se les introdujo daño de forma artificial. La red utilizada es una red neuronal multicapa de una capa oculta, que presenta un 32,64% de falsos negativos, 8,36% de falsos positivos y un 7.96% de daños mal cuantificados a nivel global. Los posibles usos de redes neuronales en aplicaciones de detección de daños en tiempo real y los resultados obtenidos, motivan futuros estudios que se pueden centrar en la búsqueda de mejores resultados haciendo uso de mejores diseños de redes neuronales o mejores formas de modelar el ruido experimental. También es necesario explorar los modos en que estos algoritmos se puedan aplicar a estructuras más grandes y complejas.

Ingeniero Civil / Conocer las propiedades dinámicas de una estructura existente en un determinado momento, o a lo largo del tiempo, presenta diversos beneficios para la ingeniería civil. Sin embargo, los métodos de identificación paramétricos requieren actualmente una cantidad considerable de interacción con el usuario, especialmente cuando se utilizan diagramas de estabilización para seleccionar los modos representativos de una estructura. Lo anterior presenta un gran impedimento en la aplicación de este tipo de métodos de forma continua en una estructura, por lo que la implementación de un sistema automático de interpretación del diagrama de estabilización resulta conveniente. El objetivo del presente trabajo es por lo tanto desarrollar y validar un método de interpretación automático de este diagrama en base a criterios de validación y métodos de agrupamiento. En virtud de lo anterior se ha verificado el funcionamiento del método desarrollado sobre un modelo de estructura de propiedades conocidas, y analizado en detalle los resultados de la implementación de este sobre el edificio Torre Central de la Facultad de Ciencias Físicas y Matemáticas de la Universidad de Chile (FCFM) el cual está siendo monitoreado desde el año 2009. Dos métodos paramétricos de identificación en conjunto con un algoritmo de optimización han sido utilizados para generar los diagramas de estabilización. El análisis sobre el edificio contempla además del análisis en detalle de la implementación del método de automatización, un seguimiento modal básico de las propiedades dinámicas identificadas, una evaluación de las fuentes de error asociadas a su evaluación y finalmente una comparación con los resultados obtenidos mediante un método semi-automático de interpretación de diagramas de estabilización. Los resultados obtenidos indican que es posible generar un método completamente automático para evaluar las propiedades dinámicas con resultados comparables con los del método semi-automático, y tomando en cuenta la dependencia de los resultados sobre la calidad y cantidad de canales utilizados, la posibilidad de implementar un seguimiento modal de la estructura.