Ingeniero Civil Mecánico / La presente investigación consiste en el desarrollo de un sistema de detección, localización y cuantificación de impactos en placas planas a partir de un análisis de sus respuestas vibratorias. El estudio de detección de impactos con análisis de vibraciones se basa en obtener la deformación ocurrida tras un impacto en distintos puntos sobre una placa, para extraer la amplitud máxima y el tiempo de llegada. Con esta información se puede utilizar un método de inferencia en base a una regresión lineal para obtener la localización y la magnitud del impacto. En trabajos disponibles en literatura se han desarrollado algoritmos de detección de impactos para estructuras simples que han demostrado funcionar bien, pero de gran costo computacional por requerir entrenamiento, además de utilizar disposiciones experimentales con una gran cantidad de sensores. En el presente trabajo se propone usar una metodología basada en una aproximación lineal que utiliza el principio de máxima entropía. La principal ventaja de esta metodología es que no requiere de entrenamiento. En una primera etapa se construye un banco de pruebas que permite obtener datos reales de impactos en distintos puntos distribuidos sobre una placa metálica. Luego se procede a extraer los parámetros de amplitud y tiempo de llegadas para construir una base de datos. Con el algoritmo se modela un impacto desconocido como una combinación lineal de los datos contenidos en la base. Los ponderadores asociados a la combinación lineal se determinan aplicando el principio de máxima entropía. Para llegar al algoritmo final, se realiza un procedimiento iterativo de construcción de bases de datos y aplicación del principio de máxima entropía. Se crea una base de datos a la cual se le aplica el algoritmo con un número variable de vecinos con los que construir la combinación lineal. De este, se obtiene que con una vecindad cercana al 15%, la influencia particular de cada elemento disminuye sin mejorar radicalmente el desempeño de la base, por lo que se fija esta cantidad como el número de vecinos a ocupar. Se realiza otra serie que parte con una base que solo extrae el máximo global de las señales y se obtiene un 3.5% de error de área en la localización y un 15.53% de error en la fuerza. Luego se crea una base que contiene distintas magnitudes de fuerza aplicada para un mismo punto, permitiendo contar con vecinos con amplitudes similares a las de la prueba. Posteriormente se crea otra base de datos que incluye a la anterior e incorpora los valores de tiempos ponderados en el mismo orden de magnitud de las amplitudes. Finalmente se usa una base de datos con la experiencia anterior, donde también se extrae el máximo global para la amplitud y el primer máximo local para el tiempo, esta base resulta con un promedio de error de área del 0.28% y un promedio de error de fuerza del 9.9%.

Ingeniero Civil Mecánico / El daño en una estructura, y la acumulación del mismo, producen cambios en su respuesta dinámica. La idea básica del monitoreo de vibraciones es medir las características dinámicas de la estructura, durante su vida útil, y usarlas como una base para la identificación del daño. Durante los últimos años, han surgido numerosos métodos para detectar daño en estructuras. Sin embargo, la mayoría de estos métodos no toman en cuenta el efecto de la distribución, ni el número de sensores. En trabajos anteriores, se han desarrollado sólo métodos para distribuir adecuadamente una cierta cantidad de sensores en estructuras simples (unidimensionales). Debido a lo anterior, en el presente trabajo se propone determinar una distribución óptima de sensores, que permita detectar daño en una estructura compleja (bidimensional o tridimensional). En particular, se determina la distribución óptima de 27 sensores en un perfil canal de acero estructural, con el fin de verificar si esta distribución es mejor que otras, como por ejemplo una distribución uniforme. Para optimizar la distribución de sensores, se utiliza el método de optimización conocido como algoritmos genéticos. Este método se basa en la teoría de la evolución de Darwin, haciendo evolucionar a una población de individuos hasta encontrar al más adaptado. En este caso, se desarrollan 2 algoritmos genéticos, uno secuencial y otro paralelo. El primero se utiliza para determinar los mejores parámetros de entrada como el tamaño de la población y las probabilidades de reproducción. El segundo, se utiliza para determinar la distribución óptima, ya que posee una mayor rapidez de cálculo y disminuye el problema del estancamiento en óptimos locales. Para verificar si la distribución óptima de sensores es mejor que otras distribuciones, se crean 4 escenarios de daño experimentales en donde 3 de ellos poseen una cierta dificultad para ser detectados. Luego se compara la detección de daño entre la distribución óptima y las otras distribuciones, para cada uno de los escenarios de daño. Se logra encontrar una distribución óptima que posee un valor de ajuste superior a las demás distribuciones cuando el daño en la estructura es de carácter moderado, es decir, existen grietas con un largo entre 25 y 50 [mm], y ubicadas en alguno de los bordes de la estructura. Esta memoria es parte del proyecto Fondecyt de iniciación 11110046 desarrollado por la Dra. en Ingeniería Mecánica Viviana Meruane Naranjo, Profesora Guía de la respectiva memoria.

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 / Este trabajo experimental fue realizado en una playa de la zona norte de Algarrobo (V Región); sector con alta cantidad de edificios residenciales, donde en algunos de ellos, los usuarios han reportado percepción de vibraciones en elementos estructurales como losas y no estructurales como ventanas. Este estudio es una de las primeras investigaciones sobre la transmisión de vibraciones inducidas en estructuras debido al impacto de olas en el suelo. El estudio es de tipo experimental y corresponde a mediciones en el suelo de playa de zonas próximas a rompientes de olas. Estas campañas se realizaron entre los meses de mayo y septiembre del año 2011. Para el análisis del problema, se definió el rompiente de oleaje tipo plunging como aquel que induce las mayores demandas de aceleraciones debido al impacto en la costa. Esta forma de rompiente se encuentra presente durante todo el año en la zona donde se realizaron las mediciones. Además, para complementar el estudio de las propiedades del oleaje, se analizaron reportes de climas de olas, reconociendo altura media de olas, periodo de llegada a la costa y temporada en el que existe mayor oleaje. Los análisis de las mediciones de aceleración se efectúan para los registros en su extensión total y también segmentados para impactos de olas independientes. Esto permite estimar, por cada ola, las aceleraciones máximas, espectros de respuesta y frecuencias predominantes. En el suelo, las mayores aceleraciones se encuentran en dirección ortogonal a la costa. El valor máximo registrado durante el período de estudio es de 1.9*10-3 g. A partir de las aceleraciones máximas y de su ubicación geográfica se ha obtenido una parametrización para la curva de atenuación de aceleraciones en función de la distancia a la zona de rompiente de olas. Esta ecuación se asemeja a las expresiones para atenuación de energía de ondas de origen sísmico. En la línea de ubicación de los edificios (200 metros desde la zona de rompiente), la reducción de las amplitudes es hasta el 21% del valor máximo registrado. Se han determinado los espectros de respuesta de aceleración para los registros estudiados, considerando razones de amortiguamiento crítico de 2, 5, 10 y 20%. Para el espectro de pseudo aceleraciones el rango de periodo de mayor demanda para las solicitaciones debido a oleaje se encuentra entre 0.05 y 0.35 [s]. Para el registro que contiene las mayores magnitudes de aceleración en superficie, se realiza un análisis de las razones de cambio de espectro según nivel de amortiguamiento. Se ha verificado que para el nivel de respuesta medido la expresión de escalamiento de amortiguamiento de la norma NCh2369 es apropiada. Además, se incluye un análisis de estimación de coeficientes para una curva de ajuste a la curva envolvente espectros de aceleración (Entre 0 y 0.4 [s] de periodo), de manera similar al parámetro alfa de la norma NCh433. En cada eje, se alcanzan aproximaciones desde el 76% a la curva original.

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 / Hoy en día el monitoreo de la integridad estructural ha logrado un gran interés. Detectar, localizar y cuantificar el daño en estructuras de forma eficaz, tiene un gran impacto en la seguridad y economía en distintas aplicaciones de ingeniería. Una forma de monitorear la integridad de distintos sistemas se basa en analizar su respuesta vibratoria frente a fuerzas de tipo impacto. Estos eventos son comunes en componentes aeronáuticos y elementos estructurales, y pueden ser precursores de fallas catastróficas o facilitar la aparición de grietas en el material. Por esta razón, se han desarrollado algoritmos que permiten localizar y cuantificar una fuerza de impacto, apenas esta es producida. Sin embargo, es necesario mejorar los resultados obtenidos hasta el momento y analizar la aplicación de estos métodos en estructuras más complejas. Por lo tanto, el objetivo del trabajo es desarrollar un sistema de detección, localización y cuantificación de la intensidad de los impactos en una placa de aluminio compuesta con estructura interna, a partir de un análisis de su respuesta vibratoria. Para esto, se utiliza una aproximación lineal basada en el principio de máxima entropía y además el análisis de componentes principales, el primero denotado como LME y el segundo como PCA, por sus siglas en inglés. Inicialmente, se desarrolla el algoritmo que permite la identificación y cuantificación de impactos. Dado que el algoritmo LME ha sido aplicado anteriormente para el caso de una placa de aluminio simple, se cuenta con los datos de impactos de este estudio, medidos en el Laboratorio de Vibraciones Mecánicas y Rotodinámica de la Universidad de Chile. Con estos datos se comprueba el desempeño del algoritmo LME al incorporar el método PCA. Luego, se diseña y construye un montaje experimental para una placa compuesta, el cual permite medir su respuesta vibratoria. La respuesta se obtiene a partir de las señales entregadas por sensores piezoeléctricos adheridos a la superficie de la placa. Los impactos se realizan por medio de un martillo modal, el cual tiene incorporado un sensor de fuerzas. La señal de los sensores piezoeléctricos y del sensor de fuerzas es adquirida mediante una tarjeta de adquisición de datos. La tarjeta digitaliza las señales para su procesamiento con el software MATLAB. Una vez procesados los datos, se aplica el algoritmo PCA+LME, y su desempeño se evalúa en función del error en las estimaciones de localización y magnitud de los impactos. Se obtiene entonces, para la placa simple un error de área de 0,016% y un error de fuerza de 5,94%. Mientras que para la placa compuesta se obtiene un error de área de 0,045% y un error de fuerza de 10,79%. Se concluye que el desempeño de la metodología desarrollada es validado al considerar los casos para una placa simple y una placa compuesta. Se comprueba que la incorporación del método PCA, como método para extraer parámetros característicos de la señal de respuesta, mejora las estimaciones entregadas por el algoritmo LME. Por otra parte, a pesar de obtener un pequeño aumento en el error, los resultados para la placa compuesta demuestran la efectividad de la metodología en casos más complejos, acercando el estudio a aplicaciones reales.

Ingeniera Civil / Chile es uno de los países más sísmicos del mundo; escenario de grandes terremotos en el pasado y con toda seguridad, en el futuro. En particular, los suelos son afectados por movimientos sísmicos. Por lo que es importante conocer las propiedades dinámicas del suelo (rigidez máxima Gmax , curvas de degradación G/Gmax y el amortiguamiento D ) para el correcto diseño de proyectos de ingeniería. Existen distintos ensayos para medir parámetros dinámicos del suelo, sometiéndolos a pequeñas y grandes deformaciones. El módulo de corte G y el amortiguamiento D se obtienen con ensayos de laboratorio y terreno. En particular, en laboratorio, uno de los ensayos que cubre un mayor rango de deformación es el de columna resonante (D4015-15, 2016). Este trabajo de título consistió en realizar ensayos de columna resonante en arenas de relave del muro del tranque El Torito (Mina de cobre El Soldado). Los ensayos fueron hechos con probetas de arena preparadas entre 35% y 85% de densidad relativa, y confinamientos que variaron entre 1 [kg/cm2] y 4 [kg/cm2]. Los resultados obtenidos se compararon con los obtenidos en el equipo Bender Element. Los Gmax dieron entre 40 y 180 [MPa]. Los ensayos de columna resonante entregaron rigideces máximas moderadamente mayores (5%) a los de Bender Element. Esto debido posiblemente a que las probetas del primer ensayo se vieron menos alteradas en su confección. Todas las curvas de degradación del módulo de corte G/Gmax y amortiguamiento D varían respecto a su deformación al corte con una tendencia que concuerda con lo observado en la literatura. A mayor confinamiento, las muestras tienen mayor rigidez inicial, mayor G/Gmax y menor amortiguamiento. A mayor índice de vacíos, las probetas tienen menor rigidez inicial y mayor G/Gmax , el amortiguamiento no tiene mayor variación respecto este parámetro. El comportamiento de las muestras al 5% de saturación es similar al de las muestras saturadas.

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

Magíster en Ciencias de la Ingeniería, Mención Mecánica. Ingeniero Civil Mecánico / Energy harvesting es la conversión de energía presente en el entorno a energía eléctrica. Dentro de esta clasificación la energía eólica puede ser capturada desde diferentes fuentes: naturales, como flujo de aire en campos libres; pseudo-artificiales, como corrientes de aire en ambientes urbanos; artificiales, como túneles de transporte, autopistas y ductos de ventilación. Este trabajo de Tesis tiene como objetivo principal estudiar la potencia capturable debido a la interacción fluido-estructura de un arreglo de dos cilindros circulares, rectos y paralelos, enfrentado a un flujo de aire perpendicular a su eje. Se estudian la influencia de separaciones, tamaños y velocidad de ataque en un dispositivo de captación de energía eólica, mediante vibraciones del tipo wake galloping. Se realiza un análisis computacional de vibraciones inducidas por vórtices para régimen laminar, en el programa ANSYS Fluent 14.5 y una implementación numérica de interacción fluido estructura, en el programa FORTRAN con el propósito de caracterizar el flujo y movimientos de un generador de vórtices. Posteriormente se construye un montaje experimental en el túnel de viento del Laboratorio de Procesos del Departamento de Ingeniería Mecánica de la Universidad de Chile para analizar la aceleración y potencia en un arreglo de wake galloping. El dispositivo consta de dos cilindros alineados, de diámetros D1 y D2, a una distancia L entre sus centros. Se estudia la razón de tamaño, Y=D2/D1, y razón de distancia, X=L/D1, para velocidades de viento en el rango 1-7[ms-1]. Los resultados experimentales muestran que la aceleración posee una relación directamente proporcional al cuadrado de la velocidad del viento y una potencia RMS máxima de ~4.5[mW], bajo una configuración de tamaño Y=0.7 y distancia X=3, lograda bajo el acoplamiento de la frecuencia natural y de la frecuencia del desprendimiento de vórtices sobre el cilindro aguas abajo. Frente a frecuencias no coincidentes el mayor desempeño se produce para una relación de tamaño Y=1.5 y distancia X=4 con un rango de potencia RMS de 0.1-0.4[mW]. La potencia generada puede ser fácilmente incrementada considerando para todas las razones de tamaño y distancia, excitar el sistema a su resonancia variando la frecuencia natural del sistema, por ejemplo, al modificar su rigidez.

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