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

El Edificio de la Cámara Chilena de la Construcción (CChC) cuenta desde 1997 a la fecha con 12 sensores uniaxiales de aceleración, 4 de ellos ubicados en su base y el resto distribuido en otros tres pisos de la estructura, que permiten registrar tanto microvibraciones ambientales como movimientos sísmicos. Desde su instalación, el sistema de sensores ha registrado la respuesta dinámica del edificio para 54 temblores de mediana intensidad. El objetivo de este trabajo de titulo, consiste en la continuación de una serie de estudios sobre la variabilidad de las propiedades modales en el Edificio de la Cámara Chilena de la Construcción, ante distintas variables ambientales. El trabajo se orienta particularmente en el estudio del comportamiento de la estructura ante eventos sísmicos no asociados a daño, por lo cual, basa su análisis en los 54 registros de movimiento antes mencionados. El proceso de identificación de los parámetros modales del edificio, a partir de los registros sísmicos, se realiza mediante un método de identificación basado en múltiples señales de entrada y salida (MIMO: Multiple Input - Multiple Output), el cual requiere tanto de los registros de la excitación externa aplicada sobre la estructura (Input) como los de respuesta dinámica en distintos puntos de ella (Output). Para el edificio de la Cámara Chilena de la Construcción, la excitación externa aplicada en eventos sísmicos se asume conocida, e igual a los registros de los sensores ubicados en su base. Dado que parte de esta memoria consiste en el desarrollo del algoritmo computacional de identificación, basado en el método MIMO, su eficacia es comprobada a partir de modelos analíticos de la estructura en estudio, en los cuales el error en los parámetros dinámicos identificados, salvo el caso de un modo torsional particular, no supera el 1%. Para considerar el comportamiento no lineal de la estructura en estudio a lo largo de los eventos sísmicos, el proceso de identificación es realizado por ventanas de avance en los registros de movimiento, de manera de observar la variación en el tiempo de los parámetros modales. De igual manera, el uso de ventanas permite obtener una mayor cantidad de datos, dando mayor robustez estadística, para el análisis de la relación entre los distintos parámetros modales y la amplitud del movimiento de la estructura Para el análisis de la relación entre los parámetros modales identificados en la estructura y la amplitud de su movimiento, se emplean distintas definiciones de esta última variable, donde la amplitud modal de movimiento, que corresponde a la componente de la respuesta asociada a los rangos de frecuencia característica de cada modo, es la que muestra mejor correlación con las variables obtenidas. En el caso de las frecuencias modales identificadas, se observa que sus valores decaen con la amplitud del movimiento de la estructura, llegando a rangos de variabilidad entre 4 y 8%, esto para valores de amplitud modal (según es definida en esta memoria) que oscilan entre 0 y 25 cm/s2 que, en cuanto a los registros estudiados, equivale a un rango de aceleración máxima basal entre 0 y 65 cm/s2. En lo que respecta a los amortiguamientos identificados, sus valores se incrementan con la amplitud de la vibración, llegando, en el mismo rango de amplitudes detallado para las frecuencias, a órdenes de variación del 60%, en el caso de los dos primeros modos traslacionales de la estructura. Para el resto de los modos, la variabilidad observada en su amortiguamiento, según sea el caso, supera el 180%.

Ingeniero Civil Mecánico / Bajo el concepto de Monitoreo de Salud Estructural , que permite conocer el estado de salud actual de un equipo mediante el uso de sensores en línea, se propone desarrollar un estudio enfocado a detectar daño incipiente en los álabes de una turbina de laboratorio, a partir del análisis de vibraciones torsionales en el eje del sistema rotor. El objetivo general consiste en identificar experimentalmente los parámetros que permitan detectar daño incipiente en un modelo de laboratorio de un sistema rotor. Los objetivos específicos abarcan la utilización de diversas técnicas de tratamiento de señales y extracción de parámetros, el estudio de estos en los dominios de tiempo y frecuencia bajo diversos niveles de daño en el sistema, y la selección de un set de parámetros que permitan detectar daño incipiente. La metodología se desarrolla en cuatro etapas: Puesta a punto del montaje, mediciones experimentales, análisis y procesamiento de señales, y selección de parámetros. Se efectúa una etapa inicial de toma de datos para dos casos: Caso base (o sano) con el sistema operando a la perfección, y un caso extremo (o con daño máximo), funcionando en ausencia de un álabe. Se extraen 100 parámetros para cada caso y se comparan de forma gráfica. Se realiza este análisis tanto para vibraciones torsionales, como transversales, medidas por un acelerómetro. Los resultados obtenidos de la primera etapa muestran 40 parámetros, calculados sobre las vibraciones torsionales, que presentaron mayores variaciones entre el caso base y extremo, y 6 parámetros que presentaron mayores variaciones para las vibraciones transversales. Estos parámetros sirvieron de referencia para ser proyectados a una segunda etapa de toma de mediciones. En dicha etapa posterior, se estudian las vibraciones del sistema rotor, esta vez trabajando con un álabe expuesto a una grieta. Se prueban 6 álabes con distintas grietas realizando el mismo procedimiento de la etapa anterior. Finalmente se entrena un clasificador Máquina de vectores de soporte , el cual, en conjunto con el método Selección secuencial hacia adelante , selecciona el set de parámetros que permite identificar de mejor manera la presencia de grietas en el sistema. Los resultados finales muestran un conjunto de 13 parámetros calculados sobre las vibraciones torsionales que permiten identificar la mayor parte de las grietas estudiadas. Por otra parte, se realiza el mismo estudio para las vibraciones transversales, concluyendo que estas no son capaces de identificar grietas con suficiente exactitud. / Este trabajo ha sido parcialmente financiado por el proyecto Fondecyt 1160494 "A Novel Damage Precursor Based Structural Health Monitoring and Prognostic Framework"

Ingeniero Civil Mecánico / Determinar el daño en estructuras y edificios luego de ocurrido un desastre natural, como puede ser un terremoto, es de crucial importancia para poder iniciar acciones de respuesta frente a emergencias de manera eficaz y que eviten el generar mayores pérdidas. Es por esta razón que se tornan necesarias herramientas predictivas fiables basadas en tecnologías de ingeniería moderna para evaluar las estructuras dañadas y ayudar a las autoridades a tomar mejores decisiones. La losa colaborante o Steel Deck, hoy en día tiene un importante rol en la construcción de losas de entrepiso en edificios y construcciones alrededor del mundo. En Latinoamérica, su uso es cada vez más común en grandes construcciones y Chile ha tomado un papel protagónico en su masificación, implementándolas en una gran cantidad de obras de construcción ya sea para edificios industriales, habitacionales, educacionales, estacionamientos y de servicio. El creciente interés se debe a las propiedades que entrega su estructura compuesta de chapas o láminas de acero las cuales funcionan como encofrado que soporta hormigón vertido. Se comporta entonces como una estructura mixta de acero-hormigón con características como buena resistencia estructural en poco peso, larga durabilidad y bajo costo. El objetivo de esta investigación es desarrollar y evaluar la utilización de tres algoritmos de detección de daños al utilizarlos en una losa colaborante los cuales funcionan en base a los cambios en sus modos de vibración y frecuencias naturales. Para esto se estudian diversos métodos de detección de daño mediante vibraciones y de esta forma determinar si existe falla, su ubicación y la magnitud el daño. El estudio comprende la preparación de modelos computacionales de losa colaborante con distintos escenarios de daño, sobre los cuales se realizará un análisis de las propiedades de vibración mediante software de ingeniería asistida para determinar sus modos de vibración y frecuencias naturales. Una vez obtenidos los modos de vibración se aplicarán los algoritmos de identificación de daño para poder estudiar su efectividad en los diferentes escenarios. Se espera poder determinar según los resultados, cuales son los alcances y limitaciones de cada método de identificación. Se estudiará la efectividad de cada uno según la calidad de la detección, la posibilidad de determinar la localización del daño y el grado de daño. / Este trabajo ha sido parcialmente financiado por proyecto Fondecyt 1170535

Magíster en Ciencias de la Ingeniería, Mención Ingeniería Sísmica. Ingeniero Civil / Este estudio presenta la implementación de una metodología desarrollada recientemente y que asegura la identificación de parámetros modales (frecuencia, amortiguamiento y forma modal), bajo el concepto de funciones de transmisibilidad. Esta técnica está concebida para ser implementada en un contexto tipo OMA (Output Modal Analysis), esto significa que no hay necesidad de determinar el input asociado a un sistema, permitiendo así realizar estimaciones durante el régimen operacional de una estructura. La principal ventaja de este método yace en la ausencia de suposiciones respecto a la naturaleza de la excitación, lo cual es un factor común en la mayoría de los métodos tipo OMA, donde regularmente se asume la solicitación como un proceso estocástico de ruido blanco. Para llevar a cabo este trabajo se analizaron los diversos aportes realizados hasta la fecha, de tal forma de generar una metodología clara y eficiente para la detección de parámetros modales. Esto involucra tanto a las funciones de transmisibilidad, así como los estimadores paramétricos que pueden ser empleados sobre dichas funciones para extraer la información modal. Considerando los diversos experimentos realizados en cada uno de los estudios relativos al concepto de transmisibilidad, se intentó extrapolar el uso del método a una estructura de tipo civil, y por lo tanto de gran envergadura, contrariamente a lo desarrollado en la mayoría de los estudios previos, donde se ha aplicado la metodología a estructuras/componentes menores relacionados a la industria automotriz, así como aeroespacial. Para poder realizar lo anterior, se utilizaron los registros de aceleraciones existentes del monitoreo continuo del edificio Torre Central, ubicado en las dependencias de facultad de Ingeniería de la Universidad de Chile. Tomando en cuenta el requisito principal del método, el cual corresponde a identificar más de una condición de carga presente en la estructura, se estudió la factibilidad de considerar el conjunto de respuestas frente a solicitaciones sísmicas, uso diurno y nocturno, resultando lo suficientemente distintas en su distribución espacial, y por lo tanto útiles, para llevar a cabo el proceso de identificación de manera satisfactoria. Los resultados muestran que el uso de funciones de transmisibilidad sólo permite conocer de manera confiable valores frecuencias naturales amortiguadas y las formas modales respectivas. La combinación de escenarios de carga con distinto nivel de excitación impide asegurar invarianza en el tiempo para sistemas cuyo nivel de amortiguamiento dependa del nivel de respuesta que éstos experimenten.

El abordaje experimental se presenta como la primera mejor opción para el estudio de fenómenos físicos complejos. Este es el caso de las vibraciones generadas por flujo bifásico gas-líquido en tubo, donde una mezcla inmiscible de dos fluidos fluye en diversas configuraciones espaciales a través de un tubo induciéndole vibraciones. En la práctica, ese fenómeno es parte intrínseca de muchos procesos en industrias como la nuclear, petróleo y gas, refrigeración y generación de potencia. Instalaciones experimentales debidamente diseñadas para el estudio de este fenómeno son necesarias. Así, se presenta el diseño de un banco experimental para la generación de flujo bifásico gas-líquido orientado al estudio de vibraciones inducidas por flujo. Se discuten aspectos hidráulicos y estructurales. Se propone una novedosa metodología para la estimación de la presión de diseño, basada en un análisis fenomenológico. También se presentan criterios provenientes del código ASME B31 y de la práctica industrial para la evaluación de la integridad del tubo como elemento estructural. La metodología y los criterios citados fueron aplicados al caso de un tubo PVC Ø1” Sch.40 con agua y aire simulando las fases líquida y gaseosa, respectivamente. Con los resultados obtenidos, los parámetros de selección de los equipos de bombeo y de aire comprimido fueron discutidos y un dimensionamiento fue realizado. La evaluación de costos arrojó un monto de S/. 120 371.2 para el valor total del proyecto, donde 12.8% representó la mano de obra para las etapas de diseño y construcción. El presente diseño garantiza la experimentación de flujo bifásico gaslíquido con confiabilidad y seguridad. Sus directrices podrían auxiliar en la concepción, diseño y construcción de bancos experimentales para el estudio de flujo bifásico en diversas condiciones. / Tesis

En el presente trabajo, se estudian los efectos de diferentes fenómenos físicos sobre las frecuencias naturales de un agitador 4PBT45 (modificado en estudios preliminares para obtener un bajo consumo de potencia y alto grado de mezcla) utilizando la herramienta de simulación computacional ANSYS Mechanical, a partir de escenarios simplificados en diferentes condiciones de operación. El proyecto comienza con el análisis de los álabes aislados, para luego estudiar el comportamiento del impulsor por separado y verificar qué sucede con los modos de vibración. Se realiza la simplificación del impulsor a un rotor axisimétrico, con la misma masa y momento de inercia polar, para comparar los efectos en contraste con el agitador original, a través de escenarios estáticos y dinámicos en vacío de cada uno de los modelos. Además, se realiza el modelamiento numérico del agitador estático sumergido y se prueban diferentes propiedades de fluidos. Prácticamente, las variables que se monitorean son: cómo gobiernan las frecuencias locales de los álabes sobre el impulsor, en base al factor de participación de masa; cuáles modos de vibración se ven afectados por la rotación en vacío y cuánto varían las frecuencias debido a dicho fenómeno y por qué; cuán factible es reemplazar el impulsor por un disco y en qué casos da buenos resultados; y cuánto repercute el efecto del fluido envolvente sobre las frecuencias naturales en el sistema estático y cómo se comportan para diferentes tipos de fluidos. En general, se determina que las frecuencias naturales varían en diferentes cantidades dependiendo del fenómeno estudiado. Algunas frecuencias tienden a disminuir o a aumentar en diferentes grados conforme se incrementan las revoluciones, mientras que otras se mantienen constantes. También, se determina que casi todas las frecuencias disminuyen entre 0.5% y 20% por el efecto del fluido dependiendo principalmente de la densidad del mismo y del modo de vibrar. Por otro lado, se encuentra una expresión analítica que permite calcular la frecuencia natural bajo el efecto de un fluido B, conociendo la frecuencia dentro de un fluido A, a partir de la relación de sus densidades, bajo ciertas hipótesis y condiciones. Además, se consigue una variación entre 1% y 6% entre las frecuencias obtenidas mediante simulación numérica y las calculadas analíticamente, reduciendo el sistema a un grado de libertad, para los modos más importantes. Por último, se conocen los alcances de la herramienta computacional en este tipo de simulaciones y sus limitaciones para desarrollar escenarios más complejos. / Tesis

Los efectos de sitio pueden aumentar los efectos dañinos producidos por los sismos, tal como se ha mostrado en eventos pasados. Para estudiar este efecto, se vienen utilizado técnicas para la medición y análisis de registros de vibración ambiental que se han difundido ampliamente debido a su eficiencia y bajo costo. Este trabajo presenta dos métodos de vibración ambiental utilizados en la caracterización de efectos de sitio: el método de Autocorrelación Espacial (SPAC) y el Cociente Espectral Empírico o H/V. En primer lugar, se describen el marco teórico, la formulación, las herramientas y el procedimiento de ambos métodos. Luego se realizan mediciones de vibraciones ambientales en cuatro puntos del campus de la PUCP con instrumentos portátiles (sismómetros). Estas señales son procesadas con el método de H/V para obtener la función de transferencia del sitio y estimar el periodo predominante del suelo. Uno de los puntos de registro se ubicó en la estación sísmica PUCP “Hipólito Unanue”. Los resultados empíricos obtenidos mediante el análisis de registros de vibración ambiental en esta estación fueron corroborados con resultados teóricos y empíricos a partir del procesamiento de registros sísmicos. La función de transferencia teórica se obtuvo con el método de Haskell-Thompson a partir de un modelo lineal del perfil del suelo proveniente de estudios previos. Se utilizaron los métodos de Razón Espectral Estándar (SSR), Cociente espectral H/V para estimar funciones de transferencia empíricas a partir del análisis de registros de movimientos sísmicos. Las funciones de transferencia obtenidas tanto con registros de vibración ambiental y con registros sísmicos coincidieron que el suelo amplifica las ondas sísmicas provenientes del basamento para los periodos ubicados en el rango entre 0.5 y 1 segundos. Se concluye que no existe un efecto de sitio importante, pues en este rango de periodos las seudoaceleraciones sísmicas provenientes del basamento son muy bajas con respecto a las seudoaceleraciones de periodos menores que 0.5 segundos. / Tesis

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.

Ingeniero Civil Mecánico / El presente trabajo propone y valida un procedimiento para clasificación de fallas usando señales de vibraciones mecánicas en rodamientos con fallas inducidas. Este procedimiento consiste en obtener imágenes tiempo-frecuencia para entrenar una Red Adversaria Generativa (GAN). Luego mediante algoritmos de clustering aplicados a salidas de su arquitectura, se obtienen los grupos con fallas de iguales síntomas y características. Para esto se ensayan diversas configuraciones considerando dos tipos de imágenes (espectrogramas y escalogramas), cuatro arquitecturas GAN (DCGAN, InfoGAN, MRGAN y Wasserstein GAN) y dos algoritmos de clustering (K-means y spectral clustering). En primera instancia se repasan los fundamentos de las fallas en rodamientos: sus síntomas y metodologías usadas para su diagnóstico; luego se presentan los antecedentes respecto a los diversos componentes del procedimiento y los criterios de evaluación. Parea su validación se usan sets de datos de vibraciones mecánicas con fallas ya clasificadas (MFPT y CWRU). Mediante indicadores se comparan la clasificación real con la obtenida, resaltando las mejores configuraciones para el procedimiento. Los ensayos muestran que las arquitecturas GAN InfoGAN y MRGAN junto al algoritmo K-means poseen un comportamiento más estable en el procedimiento. Es más, mediante el estudio de la función de costos es posible determinar si el entrenamiento resulta efectivo o no, proponiéndose un estudio más acabado respecto a un criterio de identificación para obtener mejores desempeños. Además se realiza un análisis entre las clasificaciones obtenidas y las reales teniéndose consistencia entre los resultados obtenidos por el procedimiento propuesto y los entregados por los métodos de diagnóstico usados actualmente, ya sea mediante el estudio de los mismo o consultando bibliografía. También se incorpora un set de ensayo de degradación continua. Usando la mejor configuración de las pruebas anteriores se logran detectar estados de falla. Sin embargo el diagnostico no puede ser concluyente ya que aparecen nuevos fenómenos en estos datos como fallas multimodales, no consideradas inicialmente. Finalmente se proponen algunas extensiones a fin de poder estudiar de manera correcta este último caso que resulta ser más cercano a las aplicaciones que los dos primeros, como considerar la secuencia de las mediciones o determinar anteriormente los modos de fallas presentes en los datos.