Ingeniero Civil / Tradicionalmente, en Chile se han aplicado procesos de clasificación visual para seleccionar las láminas destinadas a la fabricación de madera laminada encolada (MLE). Por otro lado, estudios desarrollados en Europa han concluido que las propiedades que influyen significativamente en la capacidad resistente de la madera son el módulo de elasticidad, la inclinación de la fibra y la densidad. Estos atributos son complejos de controlar visualmente en un proceso industrial y por lo tanto se propone la utilización de grados mecánicos. Este trabajo de título explora potenciales incrementos en la capacidad resistente y rigidez en vigas de MLE de Pino radiata (PR), a través de procesos de clasificación basados en la densidad y la inclinación de fibra. De acuerdo a F. Colling una mejora en la calidad estructural de vigas de MLE sólo es alcanzable mediante un aumento de calidad de sus dos componentes: uniones endentadas y láminas de madera. En cuanto a las uniones endentadas se analiza el incremento de resistencia en empalmes, al modificar la producción y el adhesivo. Por lo cual, de acuerdo a los antecedentes de 95 probetas ensayadas a flexión y 160 a tracción, se identifica el criterio de producción, adhesivo escogido y resistencias alcanzadas. Por su parte, para evaluar la influencia de las láminas, se analizan incrementos en resistencia y rigidez en vigas, al variar su calidad y disposición. Se proponen así, 17 series, las cuales se forman al combinar 2 láminas clasificadas visualmente y 2 mecánicamente. Estas pueden estar dispuestas horizontalmente en toda la altura o ubicarse de manera vertical exclusivamente en el borde flexotraccionado. Los ensayos de 54 probetas arrojan que la incorporación de láminas de grados mecánicos aumenta el Módulo de Rotura (MR) a flexión característico entre un 40-50% y el Módulo de Elasticidad (MoE) medio en 45%, versus vigas con láminas clasificadas visualmente. Además, la ubicación de láminas verticales en la zona flexotraccionada arroja un aumento de MR a flexión característico entre un 30-40%, en contraste con el MoE medio que no experimenta cambios en comparación con vigas de láminas horizontales. Finalmente con ambas mejoras, el MR aumenta en 95% y el MoE en 50% con respecto a la viga tipo que se fabrica actualmente en el país.

Memoria para optar al título de Ingeniero Civil / Los muros de albañilería son elementos estructurales utilizados generalmente en viviendas de bajo números de pisos en Chile. Dada su configuración estructural, éstos presentan fallas por corte ante los eventos sísmicos del país, por lo que es relevante contar con herramientas simples que permitan estimar correctamente la capacidad de los muros a este esfuerzo. Se utiliza un modelo simple basado en el trabajo de Kaseem y Elsheikh (2010) y posteriormente modificado por Melo (2017) para elementos de hormigón armado, donde el alma del muro se considera como un conjunto de pequeños bloques con esfuerzos constantes a lo largo de los ejes principales. Se utiliza un ángulo fijo del puntal a compresión, dónde la dirección principal de tensiones es igual a la de deformaciones. El hormigón se analiza mediante un modelo biaxial de tensiones, donde existe una pérdida de rigidez y resistencia del puntal a compresión debido a las tracciones. El acero sigue una ley elasto-plástica perfecta. En este trabajo de título se realizan las modificaciones pertinentes para adaptar el modelo a la albañilería. Para la compresión y tracción se utiliza la resistencia prismática del paño (y una fracción de ésta, respectivamente), que debido a la anisotropía del material, se degradan de acuerdo al ángulo que forme la carga con la junta horizontal de mortero. Se determinan deformaciones unitarias en la compresión máxima y en la tracción última, y una nueva degradación del material debido al estadio biaxial de tensiones. Finalmente, se agrega un modelo para determinar fallas por adherencia y las fallas por flexión o flexo-compresión. Para validar el modelo cerrado tipo panel, se utiliza una base de datos de 41 ensayos de muros de albañilería armada y 12 de albañilería confinada, donde se compara la razón entre el corte obtenido por el modelo y la resistencia de ensayo, entregando un promedio y un coeficiente de variación (COV) de 1.01 y de 0.14 respectivamente para muros armados y 1.03 y 0.13 para muros confinados, mostrando un desempeño satisfactorio. La inspección por fallas a partir de fotografías entrega un porcentaje de acierto del 75%. El análisis de tendencias generales revela que se tiene una baja dependencia a cada uno de los parámetros estudiados. Al comparar el modelo tipo panel cerrado desarrollado en este trabajo de título con modelos simples de la literatura, se puede observar que éste presenta uno de los más asertivos, en cuanto a precisión en el promedio y en la dispersión de los datos. Es por esto que se valida el modelo como una herramienta útil para determinar la capacidad al corte en muros de albañilería armada y confinada.

Ingeniera Civil / El comportamiento de los cables ha sido estudiado por décadas dado su amplio uso en diferentes estructuras y como parte de sistemas de alzamiento. A partir de los estudios realizados sobre el daño de éstos como consecuencia del desgaste natural que sufren por el uso se ha querido ahondar en este tema. El objetivo de la memoria es analizar los efectos de daños ocasionados superficialmente en cables de acero y aluminio de modo de determinar cómo afecta en la distribución de deformaciones y la relación del daño del cable con el diámetro de éste. La metodología empleada se basa en la confección e instrumentación con strain gauges, extensómetros y LVDT de cables de acero y aluminio de diferentes diámetros y la posterior evaluación de la deformación y capacidad de éstos, sometidos a ensayos de tracción. Los resultados obtenidos de esta investigación tienen que ver con el comportamiento de los cables ante los daños realizados, es así como se logró determinar el desempeño de los cables estudiados, como consecuencia su módulo de elasticidad. Además se determinó cualitativa y cuantitativamente un gradiente de deformaciones en donde los alambres más próximos a los daños poseen mayores deformaciones que los que se encuentran opuestos a éste; y una disminución de las deformaciones del cable de manera global en función del aumento de los daños realizados. Conjuntamente, se encontró una relación de no linealidad entre el porcentaje de pérdida de área y de la capacidad en función de los daños realizados a los cables, siendo ésta última menor a la esperada según el modelo biela. Con respecto a la instrumentación utilizada, el uso de strain gauges es acertado como instrumento para medir las deformaciones locales de los cables en cada hebra analizada ya que es bastante sensible, de tamaño suficientemente pequeño para ser colocado en alambres finos y de alta confiabilidad, pero que al mismo tiempo no logra medir las deformaciones hasta el momento de la rotura debido a que antes se despega por falta de adherencia o se corta. El extensómetro no se recomienda como instrumento para el caso de los cables en los cuales fue utilizado, por el mal agarre que éste posee dada la disposición helicoidal de los cables y por consecuencia del gradiente de deformaciones que presentaba. Con respecto al uso de LVDT, este es confiable al momento de determinar los valores de las cargas máximas y niveles de deformación globales, además de ser el único instrumento capaz de resistir las deformaciones propias del acomodamiento de los cables debido a los daños a lo largo de todo el ensayo. La evaluación de los daños en cables al momento de realizar criterios de descarte es relevante para analizar la posibilidad de reforzar o reemplazar una pieza, en este punto la investigación realizada establece una averiguación necesaria del comportamiento de los cables con respecto a la variación de las deformaciones y en la capacidad que sufren por causa del uso.

Memoria para optar al título de Ingeniero Civil de Minas / El Sublevel Stoping (SLS) es el método de explotación subterráneo ampliamente utilizado por la mediana minería en Chile. Uno de los aspectos claves del SLS es mantener el control de la recuperación y dilución minera, mientras se resguarda la estabilidad de los caserones en operación. A raíz de ello, en la literatura se encuentran diversas metodologías para estimar la estabilidad de los caserones. De ellas, destaca la metodología de estabilidad de Mathews, la cual basada en datos de minas en Australia y Canadá, define curvas de estabilidad geomecánica para el diseño de caserones. No obstante, no representa la geología ni las condiciones operacionales de las minas SLS de Chile. Por ejemplo, una de las diferencias más importantes es la profundidad de las operaciones. En efecto, la metodología de Mathews se basó en minería SLS de alta profundidad cercana a 1000 m, en contraste con las operaciones chilenas que están ubicadas en torno a los 500 m de profundidad. Luego, es necesario el desarrollo ajustes a la metodología considerando los esfuerzos en tres dimensiones. Permitiendo curvas de estabilidad de caserones que capturen y reflejen adecuadamente las condiciones geológicas y de esfuerzos locales. Para entender el comportamiento de las condiciones de explotación en minería SLS chilena, en este trabajo se presenta y analiza una base de datos estandarizada con el objetivo de determinar nuevas curvas de estabilidad geomecánica para caserones SLS. Para lograr este objetivo, se utiliza el software Mineroc® en el cual se centraliza la información proveniente de tres minas subterraneas, de la Región de Atacama. La base de datos utilizada contiene información de 236 cavidades o CMS (Cavity Monitoring System), 107 diseños de caserones, plantas geológicas, litologías, modelo de esfuerzos y reportes de la calidad del macizo rocoso. La información recopilada es posteriormente usada para determinar las curvas de estabilidad según el criterio de aceptabilidad, definiendo tres nuevos limites para distintas condiciones de sobre excavación. Con las curvas de estabilidad ya definidas se continuó el estudio con el análisis del comportamiento de los esfuerzos determinado por Mathews. Se analizó el cambio de un modelo de estimación de esfuerzos en dos dimensiones a un modelo de estimación en tres dimensiones. Además, se evaluaron propuestas de diversos autores con el fin de determinas cuál de las funciones propuestas se ajustan mejor a las condiciones de la base de datos recolectada . Dentro de las propuestas se evaluó el factor A de Vallejos, el SRF del Q de Barton y la propuesta original del método de estabilidad. A los resultados se les evaluó el rendimiento de clasificación estadístico sobre las curvas locales y a las modificaciones a la metodología. Las curvas se establecieron mediante la maximización de la clasificación y la interpretación ingenieril de la información presente en el gráfico de estabilidad. Al evaluar el nuevo método destaca que el uso de esfuerzos en tres dimensiones en conjunto con el SRF mejora la clasificación en determinar límites de estabilidad con respecto a la estimación en dos dimensiones, logrando mejores resultados para los límites de mayor sobreexcavación. El resto de los casos no tienen una mejora significativa sobre el método original para estimar el factor A. El método de estabilidad original presenta el mejor rendimiento global, por sobre todas las propuestas. Se puede mejorar el rendimiento utilizando la estimación de esfuerzos en tres dimensiones junto al SRF para los límites de mayor sobreexcavación.

Memoria para optar al título de Ingeniero Civil Mecánico / En este trabajo de título se estudia la variación sonora de los platillos de percusión frente a los procesos a los que es sometido a lo largo de la fabricación. Esto con miras a desarrollar un proceso de fabricación de platillos moderno y de calidad, y abrir la posibilidad de creación de nuevos sonidos. Sabiendo a priori que los procesos de manufactura particulares en la fabricación de platillos alteran la forma y a su vez generan esfuerzos residuales en la pieza trabajada, se plantea en este trabajo una metodología de construcción y experimentación que permita separar las variables de cambio de forma y esfuerzos residuales que afectan en el sonido. Se construyeron cuatro prototipos de platillo, uno de prueba y tres funcionales de distintas medidas y sometidos a diferentes combinaciones de procesos. Entre cada proceso de cambio de forma se realizó un tratamiento térmico de alivio de tensiones con el objetivo de eliminar esfuerzos residuales internos en la pieza. Antes y después de cada sesión de alivio de tensiones se realizaron mediciones de dureza y digitalización de la forma en 3D pera verificar que la forma ni las propiedades mecánicas no variaron significativamente por causa del tratamiento térmico. Se realizaron mediciones acústicas vía micrófono al término de cada proceso de manufactura y tratamiento térmico. Las mediciones acústicas fueron tratadas en código Python para obtener espectrogramas comparables entre sí. Además, luego de cada proceso se realizó un análisis cualitativo de la percepción del sonido. Los resultados obtenidos comprueban que la metodología de medición es válida, y sugieren que el sonido se vuelve más complejo a medida que se trabaja el platillo. En particular, el embutido de campana genera peaks aislados en las frecuencias altas y una zona extra de percusión en el mismo platillo de sonido más brillante. Los procesos de martillado, repujado y torneado cambian la forma y complejizan el espectrograma, lo que se traduce en un sonido más articulado, complejo (mayor cantidad de armónicos percibibles) y oscuro. Los tratamientos térmicos de alivio de tensiones complejizan aún más el espectro, activando una amplia gama de frecuencias bajas a altas y que perduran por más tiempo vibrando. Los resultados sugieren que los procesos de deformación plástica producen estados de esfuerzos residuales complejos que afectan en la rigidez y amortiguamiento de la pieza, lo que se traduce en variaciones de amplitud, permanencia en el tiempo del sonido y frecuencias dominantes. En particular, la aplicación de procesos de tratamiento de alivio de tensionesmodifican las características vibratorias, produciendo un sonido más brillante, complejo, potente y que perdura por más tiempo. Debido a esto, el tratamiento térmico de alivio detensiones tiene el potencial de utilizarse

El interés industrial por la formabilidad de chapas de aceros de doble fase (DP) se ha incrementado en las últimas décadas, impulsado principalmente por la reciente popularidad de los aceros avanzados de alta resistencia (AHSS) para reducir el peso de partes automotrices. Esto resulta en una fuerte necesidad de determinar la respuesta límite del material frente a solicitaciones típicas de operaciones de conformado y el estudio de los factores que la influencian. La presente Tesis Doctoral aborda el estudio numérico de los factores microestructurales que influyen en el diagrama límite de conformado (FLD) de chapas de acero DP-780. El comportamiento límite del material se modela mediante la técnica de Marciniak-Kuczynski (MK), la cual asume la presencia de una imperfección inicial precursora del proceso de localización; mientras que la descripción constitutiva del material se realiza en el marco de la plasticidad cristalina. El comportamiento anisótropo, la presencia de una distribución preferencial de orientaciones y el efecto de las fases constituyentes – ferrita/martensita – se obtiene mediante una homogeneización autoconsistente de la respuesta viscoplástica a nivel del cristal simple (VPSC). El acople de ambas técnicas (MK-VPSC) permite modelar exitosamente la respuesta límite de las chapas de acero DP-780. Se investiga numéricamente el efecto de parámetros microestructurales típicos de aceros DP, la influencia de la anisotropía y su evolución, así como el efecto del comportamiento del endurecimiento post-estricción en las deformaciones límite. Tanto la fracción en volumen como la plasticidad de la martensita presentan una influencia significativa en la predicción del diagrama FLD, mientras que la evolución de la textura cristalográfica sólo afecta las deformaciones límite bajo solicitaciones biaxiales. El mejor acuerdo con los datos experimentales se encuentra cuando se utiliza una ley de endurecimiento de saturación y cuando la deformación de la martensita es impedida o es retardada hasta el punto de estricción. Un análisis de la actividad de los sistemas de deslizamiento sugiere que, dentro del marco de trabajo del modelo MK-VPSC, la localización ocurre mucho más rápido en la ferrita que en la martensita. Se presenta una extensión del modelo MK-VPSC que permite evitar problemas de convergencia y reducir el costo computacional. Esto se alcanza aplicando directamente las condiciones en velocidad de deformación y tensión, resultantes de las restricciones de equilibrio y compatibilidad, en la banda de inestabilidad del modelo MK. Además, los estados mecánicos dentro y fuera de ésta se resuelven en el marco de referencia de la muestra, evitando rotar las orientaciones cristalográficas y las variables internas a la orientación de la banda para cada incremento, mejorando la eficiencia computacional. Las condiciones de borde generalizadas incorporadas al modelo permiten calcular diagramas FLD basados en trayectorias de carga en deformación (FLDρ) como en tensión (FLDα). / Triggered by the recent popularity of advanced high strength steels (AHSS) for weight-reduction in automotive components, industrial interest in the formability of dual-phase (DP) steel sheets has increased in the last decades. Thus, there is a strong need in the determination of the material’s limit behavior for typical loading conditions in sheet forming operations, as well as the analysis of the influencing factors. This thesis addresses the numerical study of microstructural factors influencing the forming limit diagram (FLD) of DP-780 steel sheets. The material’s limit behavior is modeled by the Marciniak-Kuczynski (MK) model, which assumes an initial imperfection, precursor of the localization process; whereas the material’s constitutive description is performed within the crystal plasticity framework. The anisotropic behavior, the presence of preferred orientation distributions and the effect of the constituent phases – ferrite/martensite – is obtained by a self-consistent homogenization of the single crystal viscoplastic response (VPSC). The coupled techniques (MK-VPSC) can successfully model the limit response of the DP-780 steel sheet. The effect of typical microstructural parameters of DP steels, the influence of anisotropy and its evolution with deformation, as well as the extrapolated post-necking hardening behavior, on the forming limits is numerically investigated. Both the martensitic volume fraction and plasticity have a significant influence on the FLD prediction, while the evolution of crystallographic texture only affects the limit strains under biaxial deformation. The best agreement with experimentation is found when using the saturation hardening law and when the martensite deformation is either not allowed or retarded to occur after the point of necking. An analysis of the slip systems activity suggests that, within the MK-VPSC framework, localization occurs much faster in the ferritic than in the martensitic phase. An extension to the MK-VPSC model is presented in this thesis in order to avoid convergence problems and reduce the computational cost. This is achieved by directly applying the stress and strain-rate boundary conditions, resulting from the equilibrium and compatibility restrictions, at the MK instability band. Moreover, the mechanical states outside and inside the groove are solved in the sample reference frame. This avoids rotating the crystallographic orientations and the internal variables to the current groove orientation for each increment, improving the computational performance. The generalized boundary conditions in the polycrystal model allow calculating either strain ratio (FLDρ) or stress ratio (FLDα) based FLDs.

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.

En esta tesis se estudian algunos aspectos de la interacción de láser de femto-segundos con cristales de niobato de litio aplicada a la fabricación de guías de onda. Se analizan los campos de deformaciones residuales de la interacción que permiten generar estas guías de onda. Los principales métodos experimentales de caracterización utilizados en este análisis son: mapeos espectroscópicos μ-Raman y medidas de campo cercano de modos guiados. Las medidas experimentales se ajustaron y/ó compararon con resultados de un modelo numérico que representa una expansión arbitraria de una elipse en el seno de un material elástico. A partir de este proceso, fue posible encontrar interesantes resultados relacionados con las características de la expansión producida por la interacción. El modelo numérico utilizado se generó en entorno MATLAB y resuelve tanto el problema elástico bidimensional para una expansión arbitraria, como así también, los modos guiados originados por su deformación residual. A su vez, se presentó y aplicó un método denominado “directo” que permite obtener el campo de índice de refracción aproximado a partir de mapas μ-Raman, en guías de onda originadas por deformaciones. Este método no requiere un modelo numérico ni iteraciones. En el presente trabajo de tesis se profundiza sobre el origen de guías de onda fabricadas con láser de femtosegundos, evaluando, a su vez, distintos métodos para estudiar los campos de deformaciones y de índice de refracción. Esto tiene potencial aplicación en el diseño de dispositivos fotónicos, como así también, en el estudio del comportamiento mecánico de materiales ópticos.

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Ingeniero Civil Mecánico / En este trabajo se desarrolla una metodología innovadora para la detección de fallas en un sistema rotatorio mediante la variación de la velocidad angular instantánea (VAI). El contexto de trabajo se enmarca dentro de análisis predictivo, el que tiene como fin anticiparse a las fallas y tomar medidas antes del colapso equipo. Existen modos de fallas que son imposibles o muy difíciles de detectar mediante los métodos de análisis de vibraciones tradicionales. Es por esto que se pretende estudiar la sensibilidad de las vibraciones torsionales a distintos tipos de fallas, las que se obtienen mediante una metodología TIMS (Time Interval Measurement System). Mediante 3 sensores periféricos y un codificador, se mide la variación angular instantánea (VAI). Estos datos se filtran y mediante algoritmos computacionales se llevan a coordenadas de movimientos laterales (x(t) e y(t)) y torsional (theta(t)). Luego, se realiza un análisis espectral de los datos, obteniendo theta(omega), x(omega) e y(omega)). Finalmente se compara el comportamiento de la componente torsional theta(omega), respecto a los movimientos laterales theta(omega) e y(omega); y además se observa la sensibilidad del torsional en diferentes casos de fallas. Los resultados obtenidos muestran, en la mayoría de los casos, una importancia bastante baja de la vibración torsional respecto a las vibraciones laterales. Sólo en 2 de las 11 fallas inducidas se puede observar una sensibilidad significativamente mayor de la vibración torsional respecto a la vibración lateral, siendo la falla en un álabe de la turbina la más sensible. Considerando lo anterior, se hace necesario, en próximos estudios, seguir profundizando en la caracterización de las fallas en álabes de turbina, ya sea por picadura, grietas o desgaste. En vibraciones mecánicas no existe una metodología que entregue la mejor información sobre todas las fallas existentes. Algunas fallas son detectadas de forma más temprana y con mayor claridad por ciertas metodologías, otras en cambio son difíciles e incluso imposibles de detectar con estos métodos. Por lo que para entender las diferentes fallas en un sistema, se hace necesario complementar la información mediante diversas metodologías, con el objetivo de tener una información más clara y precisa sobre el sistema analizado.