Ingeniero Civil / Los CFTs (Concrete-filled steel tube), son elementos tubulares de acero rellenos de hormigón. Éstos suelen usarse como columnas en sistemas de marcos arriostrados y momento-resistentes. A través de investigaciones se ha logrado concluir que éstos presentan grandes ventajas constructivas y estructurales en términos de facilidad constructiva, economía y mejora en el comportamiento mecánico de estructuras. Dentro de este trabajo de título se aborda este tema a través del análisis del comportamiento mecánico de la zona crítica en elementos CFTs sometidos a compresión axial pura mediante modelamiento en software de elementos finitos ANSYS. Se detalla el modelamiento llevado a cabo junto con las simplificaciones y supuestos considerados y se realiza un análisis de los parámetros que constituyen los modelos de los materiales acero y hormigón tales como el módulo tangente del acero, la cohesión, ángulo de fricción interna y dilatancia en el hormigón, además de la fricción entre ambos materiales e imperfección inicial del tubo de acero. Intentando reproducir registros de especímenes ensayados por Schneider (1998) se calibran los parámetros de los distintos modelos geométricos realizados y con los resultados de modelos se encuentran relaciones de tensión y deformación entre el acero y el hormigón y entre el segmento plástico y el resto de la columna. El modelo calibrado entrega resultados similares a los obtenidos experimentalmente y permite analizar por separado la respuesta del acero y hormigón y la interacción entre éstos durante el proceso carga axial. Además se encuentran tendencias entre los parámetros del modelo del acero en función del confinamiento otorgado por el tubo de acero.

Ingeniero Civil Industrial / El presente trabajo muestra la evaluación de factibilidad técnico económica realizada para un proyecto de carácter ecológico que contempla la producción de perfiles plásticos a partir de desechos de polietileno de baja densidad provenientes de la industria salmonera de la región de Los Lagos. El estudio, que comprende la creación de una unidad estratégica de negocios, fue elaborado para la empresa Novapack Ltda., ubicada en la ciudad de Puerto Montt. El análisis técnico contempló el estudio de las propiedades del polietileno, las formas en la que es posible reciclarlo y la identificación de los tipos de madera plástica. También se analizó la materia prima y la maquinaria e infraestructura necesarias para la elaboración del producto final. Además de esto, se realizó un estudio del mercado nacional de la madera plástica, identificando las empresas participantes y sus respectivos precios. Por último, se hizo una evaluación económica por medio de un flujo de caja, determinando el VAN y TIR del proyecto, como también un análisis de escenarios y un análisis de sensibilidad. Los resultados de la evaluación técnica realizada permiten concluir que Novapack posee con las condiciones necesarias para llevar a cabo un plan de esta naturaleza, contando con infraestructura propia y parte importante de la maquinaria necesaria para la producción de los perfiles, debiendo únicamente realizar la adquisición de una máquina extrusora para la confección de las tablas de plastic lumber. La evaluación económica se realizó utilizando un horizonte de evaluación de 10 años y una tasa de descuento del 12%. Con una inversión inicial que alcanza los $45.000.000, se obtuvo como resultado para el proyecto puro un VAN de $85.047.425 (3.265,82 U.F.), una TIR de 20,85% y un período de recuperación de capital de 7 años. Posteriormente, al analizar el escenario con financiamiento bancario por un monto igual al 78% de la inversión, la rentabilidad del proyecto mejoró ostensiblemente, obteniéndose un VAN de $123.880.419 (4.757,01 U.F.) y una TIR de 29,66%. Producto de lo anterior, se recomienda a Novapack llevar a cabo este proyecto de inversión utilizando financiamiento bancario, puesto que es una alternativa rentable que potencia su imagen de empresa verde , utilizando maquinaria que actualmente se encuentra subutilizada y que le permitiría expandirse a un nuevo mercado, diferente a la industria salmonera. / 22/8/2021

Ingeniero Civil Mecánico / Este trabajo de título busca validar un modelo analítico para placas de material compuesto con grietas, desarrollado por la investigadora de la Universidad de Salta, Argentina, María Virginia Quintana. En este modelo las grietas son representadas como líneas rotuladas con rigideces rotacionales, y mediante las frecuencias naturales y modos de vibración es posible identificar la ubicación y el tamaño de éstas. La motivación surge de la aplicación que puede tener este modelo en la identificación de daño, debido a que mediante una prueba no destructiva y no tan costosa es posible reconocer la ubicación y el tamaño de las grietas. Esto permite tener más información del estado de componentes que pueden ser críticos y de gran costo como el fuselaje de avión o estanques a presión. El objetivo general es validar y ajustar el modelo analítico desarrollado por la profesora Quintana, a partir de datos experimentales obtenidos con placas de resina epóxica reforzada con fibra de vidrio. Para lograr lo anterior se debe realizar el montaje experimental, caracterizar placas con diferentes disposiciones de grietas, realizar las mediciones experimentales, obtener frecuencias naturales y modos de vibración, y ajustar el modelo analítico minimizando el error (o diferencia entre el resultado real y el teórico) mediante algoritmos de optimización. La metodología para lograr estos objetivos se desprende de las siguientes actividades: la medición de cuatro placas unidireccionales con distintas disposiciones de grietas, un montaje experimental en el Laboratorio de Sólidos, Medios Particulados y Sistemas Estructurales, la obtención de frecuencias naturales y modos de vibración de las placas a partir de las funciones de respuesta en frecuencia, la implementación del modelo analítico y un ajuste del mismo mediante algoritmos de optimización para minimizar la diferencia entre valores experimentales y valores numéricos. Dentro de los resultados obtenidos se tiene un ajuste de las propiedades mecánicas de la placa sin daño mediante algoritmos genéticos paralelos que reduce la diferencia entre frecuencias naturales a menos de 2,4%. Otro de los resultados importantes es que se obtienen valores para los parámetros que caracterizan las grietas en las placas con daño dentro de un 20% de variación respecto al valor teórico, pero sólo para una de las placas se obtiene un aumento de la correlación de los modos normales debido al ajuste, mientras que para las otras se mantiene el valor del parámetro.

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La tribología es la ciencia que se ocupa de la fricción, el desgaste, la lubricación y el diseño de las superficies que interactúan en un movimiento relativo. En las últimas décadas los materiales compuestos de matriz polimérica se han utilizado cada vez más para aplicaciones tribológicas de alta exigencia. Recientemente, se han desarrollado nuevos compuestos poliméricos con la incorporación de una gran variedad de reforzantes y lubricantes, tanto micro como nanométricos, a fin de garantizar el comportamiento tribológico adecuado para aplicaciones claves. La presente tesis doctoral aborda el estudio del comportamiento en fricción y desgaste de recubrimientos lubricantes compuestos de matriz epoxi con partículas de disulfuro de molibdeno (MoS2) y sulfuro de bismuto III (Bi2S3), en contacto deslizante, de baja velocidad y cargas variables, para aplicaciones de tiempos reducidos. El propósito es aportar información sobre la manera en que la acción de las partículas lubricantes afecta al desgaste y al coeficiente de fricción, de modo individual y/o en conjunto. Asimismo, también se evaluará la influencia de las características topográficas superficiales sobre la performance tribológica. Inicialmente, el presente estudio involucró la formulación de distintas composiciones con dos matrices epoxi diferentes. Asimismo, se evaluaron distintas formas de elaboración de los recubrimientos a fin de garantizar la manera más óptima de aplicación. La caracterización química y mecánica, tanto de los materiales utilizados como de los recubrimientos elaborados, se realizó por medio de diferentes técnicas de microscopía, espectroscopía y ensayos de dureza. Las propiedades tribológicas se evaluaron en ensayos de bloque sobre anillo, de cargas variables y baja velocidad, con el objetivo de determinar el desgaste y coeficiente de fricción. Los resultados de los ensayos tribológicos realizados sobre los recubrimientos muestran comportamientos diferentes para cada matriz de resina epoxi, pero la influencia principal sobre el comportamiento en desgaste y fricción está enfocada en el tipo y composición utilizada de partículas lubricantes. El desgaste para los recubrimientos con MoS2 se reduce un 40%, respecto de la resina epoxi sin lubricantes, mientras que cuando se encuentra combinado con Bi2S3 se registró una reducción de ~80%. El comportamiento en fricción de los recubrimientos con 10% de Bi2S3 mostraron coeficientes de fricción menores a 0,1 por períodos cortos de 3 segundos. La combinación de ambos lubricantes sólidos compite en fricción con aquellos que poseen únicamente MoS2 a igual composición en peso. Este comportamiento se repite en los recubrimientos indistintamente de la resina epoxi que se utilizó en la matriz con la que fueron elaborados. Por otra parte, se registró una reducción del desgaste de 60% en contacto deslizante sobre la adhesividad del recubrimiento con mayores rugosidades. Los mecanismos de desgaste se analizaron a partir de la evaluación de las superficies de desgaste, tanto en el recubrimiento del bloque como del anillo, por medio de técnicas de microscopia óptica convencional, confocal y electrónica. / Tribology is the science that studies friction, wear, lubrication and the design of surfaces that interact in relative motion. In recent decades, polymer matrix composite materials have been increasingly used for high-demand tribological applications. Recently, new composite polymers have been developed with the incorporation of a wide variety of filler reinforcers and lubricants, both micro and nanometric, to ensure proper tribological behavior for key applications. This doctoral thesis deals with the study of the frictional and wear behavior of composite epoxy matrix lubricant coatings, with particles of molybdenum disulfide (MoS2) and bismuth sulfide III (Bi2S3), in sliding contact, low speed and variable loads, for reduced time applications. The purpose is to provide information on the way in which the action of the lubricating particles affects the wear and the coefficient of friction, individually and together. Likewise, the study of the influence of surface topographic characteristics on tribological performance is also addressed. Initially, the present study involved the formulation of different compositions with two different epoxy matrices. Also, different forms of elaboration were evaluated in order to guarantee the most optimal application in the form of coatings. The chemical and mechanical characterization, both of the materials used and of the finished coatings, was carried out by means of different techniques of microscopy, spectroscopy and hardness tests. The tribological properties were evaluated in block-on-ring tests, of variable loads and low speed, in order to determine the wear and coefficient of friction. The results of the tribological tests carried out on the coatings show different behaviors for each epoxy matrix resin, but the main influence on wear and friction behavior is focused on the type and percentage of the lubricating particles fillers. The wear for the coatings with MoS2 is reduced by 40%, compared to the epoxy resin without lubricants, while when combined with Bi2S3 a reduction of 80% was registered. The friction behavior of the coatings with 10% Bi2S3 showed coefficients of friction less than 0.1 for short periods of 3 seconds. The combination of both solid lubricants competes in friction with those that only have MoS2 with equal weight composition. This behavior is repeated in coatings made with two different epoxy resins. On the other hand, regardless of the composition, a 60% increase in wear resistance in sliding contact was registered on the adhesiveness of the coating with higher roughness. The wear mechanisms were analyzed from the evaluation of the wear surfaces, both in the block and ring coating, by means of conventional, confocal and electronic optical microscopy techniques. / TEXTO PARCIAL en período de teletrabajo

Ministerio de Educación y Cultura, DGES (proyectos PB94-1514 y PB97-0133)

En la actualidad, la creciente producción de plásticos, su rápido consumo y eliminación luego del primer uso, genera la acumulación de grandes volúmenes de residuos de plásticos y, en consecuencia, ocasiona serios problemas en términos medioambientales, económicos y sociales. Por otro lado, la industria maderera genera grandes volúmenes de residuos sólidos y los empresarios usualmente invierten parte de su capital para deshacerse de estas mermas de la producción. Por lo que reciclar el plástico, recuperar la madera y transformarlos en objetos con valor agregado siempre será provechoso. Asimismo, un reto constante de la Ingeniería de Materiales es la búsqueda de nuevos materiales, que sean económicos, fiables y de buenas propiedades específicas; lo que, al mismo tiempo, implica el desarrollo de nuevos procesos de fabricación, como es el caso del sinterizado sin presión de materiales poliméricos, mediante el moldeo rotacional, como una técnica de procesamiento ideal para la fabricación de objetos huecos de gran volumen, de buen acabado superficial, económico, versátil en cuanto al diseño y libres de tensiones internas, debido a que no se obliga a fluir el material para tomar la forma final del producto, como usualmente ocurre en otras técnicas de procesamiento. En esta perspectiva, el objetivo principal de este trabajo es el estudio del sinterizado de materiales compuestos de polietileno de alta densidad reciclado y madera pino recuperada, fabricados mediante moldeo rotacional. Con este objetivo, según la metodología de la investigación, inicialmente se identifican los variables más importantes involucradas en el proceso de sinterizado mediante moldeo rotacional de materiales compuestos de plástico y madera. Luego, con el objetivo de evaluar la influencia de dichas variables, el procedimiento experimental se divide convenientemente en 3 etapas de moldeo, organizadas según la jerarquía de la influencia de dicha variables en función del tiempo del proceso. En la primera etapa, se estudia la influencia del contenido en volumen de las partículas de madera en el sinterizado del material compuesto. En la segunda etapa se analiza la influencia de la temperatura. Finalmente, en la tercera etapa se evalúa el efecto del tamaño de las partículas sobre el sinterizado del material compuesto. Cada una de las etapas de moldeo suministra valores de entrada para las etapas posteriores, por ello es indispensable realizar cada etapa de moldeo en el orden establecido. El ensayo de control en todas las etapas es la resistencia a la tracción de muestras fabricadas según el diseño experimental, a partir de las cuales se obtienen probetas según las normas ASTM. A partir del estudio del sinterizado de materiales compuestos de polietileno de alta densidad reciclado y madera pino recuperada, fabricados mediante moldeo rotacional, se ha identificado que las variables que gobiernan el proceso y, por tanto, las propiedades de dichos materiales son: i) el tiempo de sinterizado; ii) la temperatura de sinterizado; iii) el contenido en volumen de las partículas de madera y iv) el tamaño de las partículas de madera. Asimismo, se ha demostrado que el nivel de sinterizado de los materiales compuestos, puede ser cuantificado de manera indirecta a través del análisis de las superficies internas de los objetos moldeados y con la ayuda de los resultados de los ensayos de tracción, densidad y absorción de agua. Las mejores propiedades se obtienen para el material compuesto con un contenido en volumen del 15% de madera pino recuperada y 85% de polietileno de alta densidad reciclado, bajo las siguientes condiciones que permiten alcanzar un nivel de sinterizado óptimo: 320°C de temperatura nominal del horno, 28 minutos de tiempo de permanencia en el horno y un tamaño de partícula entre 297 y 500 μm. Estas condiciones de procesamiento dan como resultado, una material con una superficie interna libre de poros y con las siguientes propiedades: 18 MPa de resistencia a la tracción; 1000 MPa de módulo elástico; 0,938 g/cm3 de densidad y 0,7% de absorción de agua. / Tesis

En la presente investigación se buscó implementar un sistema de monitoreo y análisis de compuestos orgánicos volátiles biogénicos (BVOCs) en campo, que permita la caracterización de su perfil de emisión, así como la cuantificación de los BVOCs presentes. La importancia de este estudio se centra en que estas emisiones pueden ser utilizadas, a largo plazo, como un indicador rápido del estado fisiológico del bosque, y del posible cambio en la biodiversidad de éste. Entre los compuestos elegidos para el monitoreo se encuentran principalmente los terpenoides, pues son los principales BVOCs emitidos por bosques tropicales. En la primera etapa de este trabajo, se diseñó un sistema de captura de volátiles que permitió la caracterización y cuantificación de estos en escala de laboratorio. El método empleado fue la extracción gas-sólido. Se aplicaron dos distintas matrices para este fin: Porapak Q y Carbograph. Para realizar la captura de volátiles en las matrices, se utilizó un sistema de captura dinámico, mediante el uso de bombas volumétricas de muestreo. Los análisis de estas muestras fueron realizados mediante cromatografía de gases, utilizando para ellos dos distintos equipos: cromatógrafo de gases equipado con detector por ionización de llama (GC/FID), y uno equipado con un detector selectivo de masas (GC/MS). En la segunda etapa, y partir de los resultados obtenidos en la etapa anterior, se estableció un sistema de monitoreo en campo, empleando la metodología de captura y análisis ya establecida. El trabajo de campo fue realizado en la Reserva Nacional Tambopata, en la provincia de Puerto Maldonado. Se establecieron dos periodos de monitoreo en campo. En el primero de ellos se utilizó Porapak Q y en el segundo Carbograph. Aplicando la metodología planteada, en la primera parte del trabajo, se pudo determinar una cuantificación para BVOCs en laboratorio, definiendo incluso los límites de detección y la recuperación para cada tipo de matriz. En la segunda etapa, en el trabajo de campo, no se pudo establecer un perfil de emisiones de BVOCs adecuado que pudiese ser utilizado como un indicador de los cambios en el bosque, posiblemente por la baja concentración de BVOCs en las zona y altura que se realizó el monitoreo, además de limitaciones instrumentales. Finalmente se establecieron parámetros a seguir para alcanzar los objetivos en una nueva investigación. / Tesis

Memoria para optar al título de Ingeniero Civil / El siguiente trabajo presenta un estudio del comportamiento de hormigones tradicionales al ser reforzados con microfibras de polivinilo de alcohol. Específicamente, este analiza cambios en propiedades mecánicas de este material como lo son su resistencia y su ductilidad. Esto último, sin dejar de lado la posibilidad de estudiar otros fenómenos que se pudieran observar a lo largo de la investigación. Esta investigación consiste tanto en experimentación en laboratorio como en análisis mediante el uso de software computacional. La primera parte mencionada contempla la elaboración de tandas de probetas cilíndricas de hormigón con y sin fibra. Diferentes cantidades de fibra son utilizadas en distintas mezclas buscando contrastar resultados con mezclas sin fibra. De igual manera, las proporciones agua/cemento y áridos/cemento y el tamaño máximo de árido en cada set de probetas son diferentes con el fin de obtener un espectro mayor de resultados y de esta forma poder realizar un análisis más completo. Existe un primer grupo de probetas que se elabora para llevar a cabo ensayos preliminares a modo de prueba y obtener algún tipo de tendencia general. Un segundo grupo para ajustar dosificaciones y un último grupo, mucho más amplio en cantidad que el primero, el cual es necesario para efectuar un estudio más complejo y global del comportamiento del hormigón tradicional reforzado con microfibras de PVA. De las probetas finales, cuyas variables más características son: la cantidad de fibra y el tamaño máximo de árido (0%, 1% y 2% de fibra y tamaños de árido de 0.3 mm, 4.75 mm y 9.5 mm), se obtiene que a compresión la resistencia siempre es mayor (entre 5% y casi 400% veces) sin microfibra que con microfibra, mientras que la deformación última, en casos con PVA puede llegar a ser hasta 8 veces mayor. De esta etapa, sin embargo, no es posible obtener resultados claros a tracción. Por otro lado, con lo que respecta a la parte computacional, diferentes softwares se utilizan como herramienta para procesar la información obtenida en el campo experimental. Además, se realizan parametrizaciones que representen las curvas obtenidas y así obtener fórmulas generales. Dichas modelaciones, provenientes de combinar modelos ya ampliamente conocidos con regresión de datos experimentales, son utilizadas en un análisis de tipo Pushover en el programa SAP2000 con el fin de tener una idea general del comportamiento estructural del hormigón fibroreforzado. Para efectos prácticos, el análisis es llevado a cabo en una torre de 10 pisos de muros con confinamiento de borde. De esto último y empleando las mismas cantidades de fibra e iguales tamaños máximos de árido que en las probetas finales, se puede constatar que para todos los casos, previo a los 0.6 metros de desplazamiento de techo, la carga requerida es siempre mayor en hormigones sin PVA alcanzando a ser esta, en casos extremos como aquellos con árido de 9.5 milímetros, hasta 1.2 veces mayor.

Memoria para optar al título de Ingeniera Civil Mecánica / El presente trabajo es un estudio de carácter exploratorio sobre el tema de materiales compuestos de alcohol polivinílico y diferentes nanopartículas. El objetivo es estudiar la influencia del tipo, tamaño y morfología de nanopartículas sobre las propiedades mecánicas de PVA reforzada con ellas. El alcohol polivinílico es un polímero no tóxico para el ser humano, esta característica hace que sea interesante de estudiar en aplicaciones como transporte de fármacos y revestimiento de heridas. En estos casos los materiales compuestos nanopartículas pueden actuar como agentes transportadores de los fármacos y la matriz de PVA actúa aglomerando estas nanopartículas. Además tienen amplias aplicaciones como membranas. El estudio mecánico de este tipo de materiales es relevante a la hora de la fabricación en masa. En este caso se observa que los materiales tienen propiedades similares al PVA con respecto al módulo de Young y al esfuerzo de fluencia y no así con respecto a la deformación. La síntesis de las nanopartículas puede ser controlada mediante el pH y la temperatura. En este caso se utilizan cantidades similares de NaOH y temperatura de 80°C para todas las nanopartículas. El análisis mediante TEM muestra que estas condiciones de síntesis no son las ideales para la mayoría de las nanopartículas. En la síntesis de las nanopartículas y nanocompuestos con ferritas es necesario disminuir la temperatura de 80°C a 30-40°C y controlar cuidadosamente el pH de la solución en 9.5 u 11 para obtener partículas de menor tamaño con desviaciones estándar más acotadas. El impacto de la morfología y tamaño en las propiedades mecánicas no es del todo claro. Sí se observa una tendencia general a mejorar el módulo de Young y el esfuerzo de fluencia con la adición de nanopartículas, sin embargo, existen excepciones como la muestra de CuO/CoFe2O4 en la que disminuye E y el esfuerzo de fluencia. El incremento de E ocurre porque las nanopartículas tienden a generar enlaces secundarios entre las cadenas de polímeros, generando un efecto de reticulación, dándole mayor rigidez al sistema. El cambio en el esfuerzo de fluencia depende más de la interacción entre nanopartículas y matriz que de los enlaces. Depende de si la matriz tiene un contacto uniforme con las nanopartículas, de si las nanopartículas se aglomeran y de la morfología de las mismas nanopartículas. Estas características no pueden ser estudiadas con los resultados obtenidos en este estudio. El estudio puede ser continuado de distintas maneras. En primera instancia se puede orientar a caracterizar un tipo de material separando las nanopartículas según tamaño. Se puede estudiar el área superificial para buscar una correlación entre este valor y las propiedades mecánicas. Además, como el PVA es un material viscoelástico se sugiere hacer otras pruebas de estabilidad térmica y de dinámica de las piezas.