Mecánica para ingenieros. 5. Esfuerzos y deformaciones

Ingeniero Civil Mecánico / Los sistemas de correlación digital de imágenes han aparecido recientemente como una solución a las restricciones impuestas por los extensómetros, pudiendo entregar más información casi sin impedimentos, ya que permiten medir deformaciones sobre la superficie completa de objetos tridimensionales, sin limitarse a puntos individuales, no añaden masa, no modifican las propiedades físicas de la estructura a estudiar y poseen rangos de medición desde micrones hasta metros. Este trabajo consiste en definir una metodología para la obtención de los factores de intensidad de esfuerzos 𝐾𝐼 y 𝐾𝐼𝐼 en una grieta, ya que las grietas son probables lugares de falla de los materiales. Se utiliza una probeta de forma de paralelepípedo con vaciados y una grieta, implementando un sistema de correlación digital de imágenes DIC, los datos adquiridos son exportados a MATLAB. Luego son procesados para reducir los errores con un método de suavizado, posteriormente se implementa el método A (Asintótico) y el método B (Integral J), después se comparan los valores obtenidos de 𝐾𝐼 y 𝐾𝐼𝐼 en ambos procedimientos. Para realizar este trabajo es necesario conocer las propiedades mecánicas del material, ya que son empleadas en el cálculo de los factores de intensidad de esfuerzo 𝐾𝐼 y 𝐾𝐼𝐼, para ello son obtenidas experimentalmente bajo las normas ASTM D638 y ASTM 1876-15 respectivamente. En el ensayo de flexión conjunto al sistema DIC el mejor enfoque se recomienda realizarlo directamente en la punta de la grieta, ya que de esa forma se logra distinguir correctamente el comportamiento de los desplazamientos y deformaciones. Se logró emplear los métodos A y B para el cálculo de los factores de intensidad, donde ambos métodos son consistentes entre ellos al mostrar que el factor 𝐾𝐼 es mayor al factor 𝐾𝐼𝐼. Esto indica que la grieta tiende a abrirse, por tanto, fallará el material por causa del primer modo de carga. Existe una diferencia del 7,6% al comparar el valor promedio de 𝐾𝐼 obtenido de forma experimental con el obtenido de resultados del modelamiento en elementos finitos. Sin embargo, el factor promedio 𝐾𝐼𝐼 posee una diferencia del 62,5%, esta discrepancia se puede deber principalmente a imperfecciones dentro del material, tal como: elementos contaminantes o el grado de cristalinidad del material lo cual afecta a la correcta isotropía del material. Además, la fuerza empleada esta fuera del rango de trabajo de la máquina de ensayo universal, sin embargo, es el equipo existente en el laboratorio.

Memoria para optar al título de Ingeniero Civil Mecánico / La ferroelasticidad es un fenómeno que se da en ciertos materiales en los que su relación esfuerzo-deformación no se comporta de manera lineal. Para poder medir este comportamiento, el método más habitual para su estudio es la compresión uniaxial, sin embargo, también se puede estudiar bajo identación plana. Se ha comprobado que los materiales de óxidos de lantanio, que poseen estructura perovskita tienen un comportamiento de creep ferroelástico cuando están a temperatura ambiente. El trabajo corresponde al estudio de la ferroelasticidad en (La_{0.6} Sr_{0.4})_{0.95} Co_{0.2} Fe_{0.8} O_{(3-x)} (LSCF). Para esto se crearon probetas del material, las cuales consistían en discos y barras, siendo sometidas a ensayos de impresión y de compresión, respectivamente, para así poder caracterizar el comportamiento ferroelástico que estos poseen. Para lograr esto, tanto en compresión como en impresión, se realizó el estudio de la resistencia al contacto para el cálculo del esfuerzo crítico de la deformación ferroelástica en el material. Se obtuvieron los datos sobre la porosidad y la densidad de todas las probetas utilizadas, con esto se determinó que los discos son más densos que las barras y la porosidad es menor en el caso de los discos. Se ocuparon series de Prony de tercer orden con relajación en el tiempo para poder modelar el comportamiento ferroelástico que poseía el material, utilizando para ello los datos obtenidos de forma experimental en ambos ensayos. Se procedió a comparar los resultados obtenidos en 80 [MPa] de ambos ensayos para determinar cuál de ellos sería más efectivo de realizar. Para obtener más conclusiones, es necesario contemplar más resultados experimentales que contemplen más variables a las que pueda estar sujetas el material, tales como la temperatura que posee el material, la porosidad que este posee, entre otros.

Memoria para optar al título de Antropólogo Físico / La modificación intencional del cráneo (DIC) es el proceso de modi cación corporal del patrón de crecimiento y desarrollo craneal a través de la utilización en los primeros de vida post-natal de aparatos deformadores usados con distinta intensidad. La consecuencia de dicha práctica cultural consiste en la modi cación en magnitud y/o dirección de los vectores normales del crecimiento del neurocráneo. Esta es una práctica cultural ampliamente distribuida tanto geográ ca como temporalmente, con alta representación en poblaciones prehistóricas sudamericanas. Las poblaciones prehistóricas de San Pedro de Atacama no son la excepción, presentando a lo largo de su secuencia cultural, a numerosos individuos con dicha modi cación corporal. Se ha sugerido que los cambios en frecuencia y/o estilo deformatorio, serían producto de interacciones con grupos foráneos y/o cambios demográ cos. La presente investigación tuvo por objeto el análisis cuantitativo del patr ón de variación craneal en las poblaciones de SPA a lo largo de su secuencia cultural. Se deseó poner a prueba la hipótesis de que existe un patrón morfológico similar en la DIC presente en las poblaciones de SPA y los grupos de otras regiones andinas, durante los momentos de la prehistoria atacameña en los que tradicionalmente se ha propuesto contactos interregionales. Se analizaron 280 fotografías laterales de cráneos provenientes de SPA, Arica y el Altiplano mediante las técnicas de la Morfometría Geométrica en 2D. Se comparó a los individuos por período y origen geográ co respectivamente, con la nalidad de intentar establecer si las posibles similitudes morfológicas se deben o no a contactos entre distintos grupos, o por si el contrario corresponden a tradiciones locales. Por otro lado, se realizaron análisis similares con muestras de cráneos no-deformados de los mismos sitios, para así tener una contraparte no afectada por la deformación. Los resultados aquí expuestos apoyan la hipótesis que considera a la ACD de SPA como una tradición local

En las últimas décadas se han ido desarrollando nuevas tecnologías las cuales demandan a las ciencias e ingenierías nuevos materiales con múltiples propiedades, que se adecuen y estén a la altura de los nuevos avances. Es así como se han comenzado a estudiar los materiales con estructura de perovskita, que han demostrado poseer una gran variedad de propiedades, dependiendo de su composición. Una de esas propiedades es la ferroleasticidad, fenómeno que demuestra un comportamiento no lineal en la deformación elástica del material y que se encuentra presente en los óxidos metálicos de lantanio, con estructura de perovskita, como el LaCoO3, LaAlO3, LaFeO3. Cuando se habla del comportamiento no lineal de la deformación elástica en las perovskitas, se hace alusión a que estos materiales al ser perturbados por un esfuerzo, cambian su estructura interna, ocurriendo una reordenación y reorientación de sus dominios cristalinos(lo que se denomina cambio de fase), para poder minimizar la energía de la deformación pro bocada, sin embargo estos cambios van generando pequeñas tensiones dentro del material y por ende un comportamiento no lineal de su deformación. Para poder comprender mejor este fenómeno, lo que se hace actualmente son ensayos de compresión uniaxial para obtener sus curvas de esfuerzo-deformación y analizar su curva de carga, determinando de esta forma el esfuerzo crítico en el cual ocurre el cambio de fase del material. En estudios resientes, se han reportado otras posibilidades de evaluar las características ferroelásticas de las perovskitas, entre ellas se encuentra la indentación esférica, con la cual se ha podido determinar el esfuerzo critico de cambio de fase, analizando sus curvas de esfuerzo-deformación. Otro método de identación ampliamente ocupado en la determinación de características mecánicas es el ensayo de identación plana, el cual presenta mayores ventajas sobre los dos métodos antes mencionados, ya que al presentar un área de contacto pequeña y casi constante, se obtiene esfuerzos constantes para cargas constantes, simplificando así los análisis teóricos. A partir de los datos obtenidos experimentalmente, y de sus curvas características, es posible obtener la resistencia al contacto, con la cual se pueden determina otras características mecánicas, como el esfuerzo crítico de cambio de fase. Finalmente en este estudio, se investigarán las propiedades ferroelásticas del LaCaO3, mediante dos metodologías, la compresión de barras y la indentación de discos, de donde se obtendrán las medidas de deformación del material y la carga ejercida.

El cobre es frecuentemente utilizado por sus buenas propiedades conductoras tanto eléctricas como térmicas. Para aumentar su rango de aplicación, es de interés aumentar su resistencia mecánica a altas temperaturas, pero sin perder sus buenas propiedades conductoras. Lo anterior se puede lograr mediante la dispersión de finas partículas cerámicas en la matriz del cobre. Este trabajo tiene como objetivo la fabricación y estudio de la deformación en caliente de las aleaciones Cu-5%vol VC y Cu-2,5%vol Al2O3-2,5% VC. Se realizaron ensayos de creep y ensayos de creep escalón, con el objetivo de comparar los dos ensayos y validar el ensayo de creep escalón. También se estudió la textura de las moliendas y el efecto que tienen en ella los líquidos de molienda y los elementos aleantes. Las aleaciones se fabricaron mediante un proceso de pulvimetalurgia conocido como molienda reactiva. Se calculó la cantidad de polvos elementales necesarios para lograr la composición requerida en la molienda reactiva. La molienda se realizó llenando un molino atritor con bolas de acero inoxidable, se empleó tolueno como líquido de molienda para los polvos de Cu-V y hexano para los polvos de Cu-V-Al. Se realizaron moliendas de 10, 20, 30 h a polvos de Cu y de las aleaciones para compactar; luego se extruyó los polvos a 750◦ C. Los polvos molidos se caracterizaron mediante análisis químico, difracción de rayos X, microscopía electrónica de transmisión y microdureza. A las aleaciones CuV y CuVAl extruidas, se le realizaron ensayos de resistencia al ablandamiento a temperaturas de 400, 500, 600, 700, 800 y 900◦C por 1 h. Los ensayos de compresión en caliente se efectuaron para dos velocidades de deformación, 6x10−5 s −1 y 2x10−4 s −1 , y temperaturas de 20, 400, 500 y 700 ◦C. También se realizaron ensayos de creep y de creep escalón a temperaturas de 400 y 500 ◦C, para cargas entre 40 y 100 MPa. El análisis químico mostró una composición teórica de Cu-4,3%vol VC y Cu-1,91%vol Al2O3-2,5% VC. Los difractogramas sólo muestran máximos de Cu. Los polvos molidos de la aleaciones de Cu-V-C presentan textura en el plano (220) y los polvos molidos de Cu-V-Al no presentan textura en ninguno de sus planos. Se detectó una influencia de los elementos aleantes y del líquido de molienda en la textura; en particular el aluminio interfiere eliminando la textura en las moliendas de Cu y de las aleaciones. A través de microscopía electrónica de transmisión se observaron partículas de VC, V02 y V2O5 para la muestra Cu-V-C, en tanto que para la muestra Cu-V-Al-C se encontraron partículas de VC y CuO; no encontrándose Al2O3 en la muestra. En los ensayos realizados al material ya extruido, se encontró que la aleación de CuVAl presenta una mayor resistencia al ablandamiento que la aleación de CuV, si bien ambas aleaciones sufren una caída en la dureza superados los 700◦C, alcanzando un mínimo de 170 HV a los 900◦C. La aleación CuVAl presento una mayor resistencia a la compresión que la aleación CuV, independiente de la temperatura y de la velocidad del ensayo.Los ensayos de creep muestran que, para una misma carga, la aleación CuVAl presenta velocidades de deformación menores que la aleación CuV independiente de la temperatura. Las aleaciones presentan exponentes de esfuerzo aparente entre 2 y 6. Estos relativamente bajos valores sugieren que no hubo un reforzamiento por dispersoides. Los exponentes de esfuerzo aparente, calculados para el ensayo de creep escalón son siempre superiores a los del ensayo de creep, alcanzando diferencias de hasta un 300%.

Hacemos una comparacion de la teoría de deformaciones con la de un tipo particular de productos tensoriales torcidos, a través de la cohomología de Hochschild

Memoria para optar al título de Ingeniera Civil / Una de las estructuraciones utilizadas en edificios de gran altura es la de sistemas de muros de hormigón armado acoplados por losas, la que ha mostrando un comportamiento eficiente ante cargas de sismo y viento, donde los muros al recibir estas cargas producen esfuerzos de corte y momento en las losas, siendo resistidos por una parte de esta. Variados estudios han analizado el comportamiento de estos sistemas pero se ha puesto poca atención en el análisis post fluencia de las losas y los esfuerzos de flexión y corte que se generan y son capaces de resistir, así como en la influencia de la cantidad y ubicación de la armadura necesaria para resistir estas cargas. Debido a esto y a que en las oficinas de cálculo chilenas se utilizan estos sistemas con refuerzo de losa, surge el interés de estudiar su comportamiento y eficiencia. Para esto se realizará un estudio paramétrico utilizando modelos numéricos no lineales de ejes resistentes comunes sometidos a un análisis pushover, que estarán limitados a una losa de piso y la mitad de la estructura de los muros que se encuentran sobre y bajo la losa, considerando elementos finitos y leyes constitutivas representativas de los materiales para caracterizar la respuesta colineal de estos elementos en la tipología de edificios chilenos, donde se irá variando la armadura de refuerzo utilizando dos tipos de modelos, con armadura concentrada y armadura distribuida, y se analizarán su distribución de momento, esfuerzos transmitidos y ancho efectivo. De este análisis se ha obtenido que existe una zona capaz de transmitir los esfuerzos, al alejarse de este sector la distribución de momento disminuye bruscamente de la misma forma independiente de la cuantía utilizada y no se aprecia un aporte significativo en la resistencia de momento por parte de las barras de refuerzo. Se deduce de esto que el ancho efectivo no depende de la cuantía utilizada, sino que está en función de la geometría del sistema como se ha mencionado en estudios anteriores, y que resulta más eficiente utilizar armadura del tipo concentrada, ya que pasado de la zona mencionada no se produce un aumento importante en el acoplamiento y por lo tanto se estará perdiendo armadura.

El objetivo principal de la presente tesis es presentar un procedimiento que permita calcular las deformaciones y tensiones residuales que se producen en las tuberías en el proceso de soldadura. Este análisis se realiza mediante simulación numérica, basada en el método de los elementos finitos y para ello se utilizan las herramientas del software ANSYS. El procedimiento considera los parámetros del proceso de soldadura, las dimensiones de las tuberías y de la junta, las propiedades físicas, térmicas y mecánicas del material, dependientes de la temperatura y las condiciones de contorno, tanto térmicas como estructurales. Se aplicó la técnica del birth and death o técnica del elemento quieto para modelar la deposición del material de aporte. Asimismo, se empleó el modelo del doble elipsoide de Goldak para simular el efecto de la fuente de calor. En primer lugar, se resuelve el problema térmico y se obtiene un campo de temperaturas para cada paso de tiempo. Los resultados obtenidos son los datos de entrada para la solución del problema estructural, es decir, para determinar las tensiones residuales y deformaciones, ya que éstas se producen debido a los cambios de temperatura durante la soldadura. Todos los resultados obtenidos fueron comparados con datos de resultados experimentales disponibles en la literatura para validar el procedimiento. Se observa que los resultados obtenidos por simulación tienen una correlación cercana con los resultados experimentales. Finalmente, se aplicó el procedimiento a un caso de estudio, la soldadura en un gasoducto. Se obtuvieron resultados de temperaturas, de tensiones residuales axiales y circunferenciales y de deformaciones axiales. Los resultados de las tensiones residuales se compararon con los valores estimados según la norma API 579 / ASME FITNESS FOR SERVICE y demuestran que el procedimiento desarrollado en la presente tesis puede ser utilizado como una herramienta alternativa en el diseño y el control de la integridad de uniones soldadas en gasoductos basados en normas. / Tesis

Geólogo / En el rubro de la minería siempre están muy presentes dos factores, la rentabilidad del negocio y la seguridad de los trabajadores. Para cumplir con ambas es necesario tener un acabado conocimiento sobre el comportamiento local de la roca. Entre las pruebas más básicas e importantes dentro de la caracterización física de la roca está el de compresión uniaxial no confinado (UCS), que como bien dice su nombre, es una prueba donde se aplica compresión en un solo sentido (vertical) a una muestra de roca cilíndrica, hasta que esta falle. Externamente se usa un dispositivo para medir la deformación, como los strain gauges y LVDT. Si bien estos son métodos confiables y ampliamente usados, en este trabajo, el objetivo es validar una técnica relativamente nueva en esta área, la medición de deformación usando correlación de imágenes digitales (DIC). El concepto básico de esta consiste en tomar una gran cantidad de fotos de un objeto en una ventana de tiempo en la que presente algún tipo de movimiento o deformación. Estas imágenes son luego procesadas en un software especializado que identifica los desplazamientos a través de la comparación de imágenes. Lo que se hace en este trabajo es realizar y grabar 15 ensayos UCS de carga fija en probetas de roca, con los que se busca determinar hasta donde llegan las capacidades del DIC en estudios de roca. En las pruebas realizadas se encuentra que los gráficos de deformación versus estrés son parecidos a los que se hacen con otros métodos. La cantidad de deformación es similar, mientras que la forma y eventos capturados en la curva dependen mucho del criterio de posicionamiento de las mediciones por DIC. Se confeccionan representaciones visuales de la deformación, donde se muestra, usando mapas de colores, las zonas que sufren desplazamiento durante el proceso de falla. Por último, en el análisis estructural de la secuencia se hace un detalle de cómo va apareciendo cada fractura durante la carga, dando la posibilidad de encontrar relaciones entre cada falla. A partir de los resultados obtenidos se concluye que el DIC es un método muy flexible en cuanto que puede hacer infinitas mediciones de la cara estudiada, de alta precisión y que entrega mucha más información que otros métodos. Todo esto hace que sea muy útil en tres escenarios: cuando se quieren hacer mediciones de deformación sobre una muestra, cuando se quiere mostrar visualmente la deformación ocurrida en la muestra y para hacer análisis estructurales muy enfocados.