Magíster en Ciencias de la Ingeniería, Mención Ingeniería Estructural, Sísmica y Geotécnica / El último gran terremoto y tsunami de Tohoku de 2011 reveló que los edificios con estructuras de pórticos de acero resistentes a momento, empleando columnas tubulares y conexiones rígidas con vigas de sección I, no sufrieron daños graves y muchos fueron reconstruidos sobre la estructura original de manera muy rápida. La experiencia japonesa ha mostrado que este sistema estructural posee un adecuado comportamiento sísmico para las dos direcciones horizontales, constituyendo una ventajosa solución para ser importada y adaptada en varios países de América Latina, donde los eventos naturales extremos como los terremotos se presentan con alta periodicidad. La normativa americana AISC, adoptada por muchos países de la región, precalifica solamente dos conexiones rígidas con columnas tubulares para su uso en pórticos especiales e intermedios. Pero que, al estar protegidas por patentes comerciales pueden incrementar los costos finales del edificio. Una innovadora solución propone una conexión, de tipo plancha extrema, que trata de adaptar su uso a la práctica constructiva habitual en nuestros países. La conexión fue estudiada numérica y experimentalmente ante cargas cíclicas, mostrando una distribución de tensiones que favorece la manifestación de mecanismos de falla dúctiles, siendo la viga la responsable de disipar energía. En tal virtud, la presente investigación continua con el desarrollo de la nueva conexión, al estudiar el desempeño sísmico de configuraciones típicas de nudos en pórticos a momento, abordando dos aspectos no considerados previamente: 1) el efecto bidireccional que confieren las vigas que se conectan a la columna por ambos ejes horizontales ortogonales y 2) la influencia del nivel de carga axial sobre la columna. Para alcanzar los objetivos, modelos no-lineales tridimensionales en elementos finitos de los nudos se simularon numéricamente usando el software ANSYS. Cinco configuraciones de nudos, que incluyen: 2D-exterior (1B), 2D-interior (2BI), 3D-esquina (2BC), 3D-exterior (3B) y 3D-interior (4B), fueron sometidas a cargas cíclicas unidireccionales y bidireccionales según el protocolo AISC. Las modelos incluyeron cuatro niveles de carga axial sobre la columna para cada configuración estudiada. Las simulaciones muestran que, para todas las configuraciones de nudos las conexiones fueron capaces de sostener un ángulo de deriva de piso de 0.04 radianes y de alcanzar una resistencia superior al 80% del momento plástico nominal de la viga para el nivel de deformación indicado, cumpliendo los requerimientos de resistencia para pórticos a momento especiales (SMF) según las disposiciones AISC vigentes. Se logró integrar las respuestas individuales de las vigas y expresarlas en términos de la respuesta global del sistema, según el principio de equivalencia de energía. El análisis de los ciclos histeréticos de los sistemas equivalentes llevan a concluir que la capacidad de disipación de energía de los nudos con mayor número de vigas (3B y 4B) es menor en comparación a aquella de los nudos con menor número de vigas (1B y 2B), y que el incremento del nivel de carga axial sobre la columna tiene un impacto directo en la reducción de la capacidad de disipación de energía de los sistemas, en especial para los nudos con mayor número de vigas (3B y 4B). De ello resulta necesario admitir que la acción sísmica bidireccional es un factor importante que puede ocasionar la manifestación del mecanismo de falla por rotulación de las columnas.

Las vibraciones excesivas en generan incomodidad en sus ocupantes y son inconvenientes para equipos sensibles al movimiento. Es por ello que se han desarrollado diversos métodos para evitarlas o disminuirlas. En este trabajo se aborda la solución a problemas de vibración en una pasarela peatonal mediante la aplicación de un sistema de disipación de energía de carácter semi-activo. El disipador semi-activo utilizado consiste en un disipador de masa sintonizada de 1GDL que incluye un amortiguador magneto reológico. Éste último puede variar sus propiedades de amortiguamiento dependiendo de un voltaje aplicado. Se realizaron estudios experimentales para caracterizar el comportamiento no lineal de un amortiguador magneto reológico. Fue desarrollado un modelo del amortiguador en lógica difusa, método conocido por su poca dificultad para abordar problemas no lineales. Como principal diferencia con respecto a trabajos anteriores, este trabajo se enfoca principalmente a analizar la reducción de la respuesta de una pasarela peatonal al aplicar un sistema de control desarrollado para un modelo de 2 GDL de la pasarela y el disipador de masa sintonizada de características magneto reológicas. El objetivo principal fue aprovechar al máximo la variabilidad de las propiedades de un amortiguador magneto reológico, y ver si se podía mejorar la respuesta con respecto al caso pasivo, estudiado en trabajos anteriores. Como resultado final se obtuvo una reducción de un 66 % para la principal carga peatonal considerada, cuya magnitud fue condicionada por los límites de desplazamiento y velocidad del modelo del amortiguador magneto reológico desarrollado en lógica difusa.

Magíster en Ciencias de la Ingeniería, Mención Ingeniería Sísmica / Ingeniero Civil / Este estudio presenta una evaluación del Método de Análisis Modal Espectral para estructuras con sistemas pasivos de disipación de energía del estándar estadounidense ASCE 7 del año 2010. La evaluación se realizó comparando las predicciones del método de análisis simplificado, con la respuesta inelástica exacta de un edificio de hormigón armado de 35 pisos, equipado con disipadores viscosos no lineales, viscoelásticos e histeréticos, previa adaptación del método simplificado a las condiciones sísmicas chilenas. El Método de Análisis Modal Espectral del ASCE 7, se desarrolla teóricamente en base a un tipo de método estático no lineal, denominado Método del Espectro de Capacidad, que fue propuesto originalmente para su uso en la rehabilitación de edificios mediante disipadores de energía por el FEMA 273/274, en el contexto de la ingeniería basada en desempeño. Es por ello que, en primera instancia, fue necesario estudiar el origen, el desarrollo y la evolución de los métodos estáticos no lineales durante estas últimas dos décadas. Luego, se estudió la modificación de un espectro elástico de desplazamientos para niveles de amortiguamiento diferentes a un 5% del crítico, cuya aplicación es muy relevante en las predicciones del método. Se propusieron ecuaciones ajustadas por mínimos cuadrados a la media de los factores de amplificación o reducción que permiten llevar a cabo esta tarea, considerando una base de datos de 130 registros de aceleración chilenos. Considerando la modificación de las ordenadas espectrales propuesta, se revaluó el Método del Espectro de Capacidad aplicado en sistemas inelásticos de un grado de libertad con disipadores de energía, en 14310 sistemas que permitieron abarcar casi la totalidad de los casos de mayor interés práctico. Para ello, se utilizaron set de registros debidamente seleccionados y escalados a un espectro elástico de diseño en particular para diferentes tipos de suelo. Los resultados mostraron que el método simplificado proporciona erráticas predicciones del desplazamiento inelástico, y que el límite de desplazamiento mínimo otorgado por la solución del sistema considerando que la estructura permanece elástica mejora significativamente las estimaciones. Por el contrario, la velocidad relativa se predice de forma muy errática a través de la seudo velocidad, por lo cual se proponen factores de corrección basados en la misma base de datos de 130 acelerogramas, obteniendo mejoras que son muy importantes para el diseño de disipadores que poseen una componente viscosa. Finalmente, se lleva a cabo una completa adaptación del Método de Análisis Modal Espectral a las condiciones sísmicas chilenas, para luego ser aplicado a sistemas de múltiples grados de libertad. En base a los resultados obtenidos, se descarta el uso del Método del Espectro de Capacidad, y se propone un método simplificado que asume un comportamiento elástico de la estructura, el cual proporciona predicciones bastante aceptables en sistemas regulares con importantes incursiones en el rango inelástico, con errores relativos acotados entre -20 y 30% para las principales variables de diseño de la estructura y los sistemas disipadores analizados, donde errores positivos indican predicciones conservadoras y errores negativos lo contrario.

Una estructura que presenta vibraciones excesivas genera en los usuarios la sensación de inseguridad y disconformidad. Las maneras de disminuir estas vibraciones son múltiples y una de las alternativas es el uso de disipadores de vibración de masa sintonizada. Este trabajo busca solucionar el problema que existe para evaluar la efectividad de un dispositivo disipador de vibraciones, pues las mediciones sin y con dispositivo normalmente corresponden a excitaciones diferentes. Se hace necesario, entonces, contar con un dispositivo excitador para realizar mediciones que sean homologables de un caso a otro. En este trabajo se diseña y construye un dispositivo que genera vibraciones verticales estandarizadas y replicables en una pasarela peatonal ya existente. La pasarela donde se instala el generador de pulsos sinusoidales es de hormigón post tensado, se encuentra ubicada en la comuna de San Bernardo, emplazada sobre una vía férrea, y presenta problemas de vibraciones excesivas. El generador de vibraciones utiliza un mecanismo que convierte el movimiento rotacional de un motor eléctrico en un movimiento vertical que desplaza masas que generan una fuerza periódica en la estructura. Este dispositivo cuenta con un sistema de control de frecuencias que permite adaptarse a las frecuencias propias de la estructura. Con esto se solicita dinámicamente a la pasarela de forma controlada y reproducible logrando medir la efectividad de un disipador de vibraciones instalado en ella, comprobando que su uso permite reducir vibraciones según la configuración que adopta el disipador.

Magíster en Ciencias de la Ingeniería, Mención Ingeniería Sísmica. Ingeniero Civil / Esta investigación evalúa la factibilidad de usar un sistema de disipación de energía formado por columnas líquidas sintonizadas presurizadas para controlar periodos bajos de estructuras. El dispositivo denominado DPCLS contiene agua en su interior y está conformado por un conducto horizontal y dos columnas verticales, cuya disposición tiene forma de U. Al someterse a movimientos horizontales genera fuerzas de inercia en las paredes de las columnas de disipador, contrarias al movimiento ejercido por una estructura acoplada al dispositivo, reduciendo la respuesta en desplazamiento, velocidad y aceleración de la estructura primaria. Este disipador en particular está sellado en el extremo superior de las columnas. Tal configuración cambia las propiedades dinámicas del disipador, incorporando características de resorte al sistema, generadas por el aire confinado en las columnas. Las ecuaciones que caracterizan la dinámica del sistema principal más el disipador determinan el periodo y el amortiguamiento óptimo de diseño. Lo cual posibilita la fabricación del disipador según el material y geometría capaces de resistir las condiciones pre-establecidas del problema. Para la validación del tema se realizan ensayos para caracterizar las propiedades del disipador bajo una solicitación de ruido blanco. Además, una estructura metálica de dos niveles se somete a la acción de 19 registros sísmicos chilenos y estadounidenses, esta se ensaya sin el disipador y posteriormente con este. Los resultados evalúan la efectividad del uso del disipador de energía en la estructura estudiada. Los resultados principales indican que el aire contenido en las columnas puede modelarse como un resorte lineal equivalente y el amortiguamiento generado es despreciable, en el rango de valores utilizados. El disipador presurizado no genera reducciones importantes en la respuesta de la estructura, teniendo un comportamiento análogo a incorporar masa a la estructura. La baja capacidad de sintonización con la estructura primaria por parte del DPCLS se debe a la imposibilidad de provocar las amplitudes del desplazamiento necesarias para el acople de los dos sistemas, debida a la alta rigidez aportada por las cámaras de aire.

El sector industrial es clave en el desarrollo de los países, por lo cual, las normativas asociadas al diseño de estructuras e instalaciones industriales adquiere especial relevancia. Uno de los diseños más comunes observados en estructuras de acero es la fluencia y fractura de los pernos de anclaje debido esencialmente a que estos presentan disipación de energía, reduciendo daños en otros elementos estructurales. Es por esto que se decidió estudiar el comportamiento de los pernos de anclaje y cuantificar su influencia en la respuesta estructural de estructuras industriales. Para llevar a cabo lo anterior se modeló un sistema que permitiese simplificar los complejos análisis basándose en la idealización de ciertas características del sistema. De esta forma, se obtuvieron valores relevantes en cuanto a la capacidad de los pernos, la influencia del largo de los mismos y la capacidad al corte del modelo para casos en que los pernos poseían comportamiento lineal y no lineal. Los resultados obtenidos para el modelo simple mostraron la relevancia del comportamiento de los pernos sobre la respuesta estructural, entregando que el promedio de los factores de modificación de la respuesta estructural R fue menor al establecido por la normativa chilena. De forma complementaria se desarrolló la modelación con elementos finitos de un estanque vitivinícola, con características reales, de materiales y geométricas, con la finalidad de confirmar la validez de los resultados obtenidos con el modelo simplificado. Teniendo presente lo anterior se verificó la similitud entre modelos, obteniendo valores aproximados en condiciones apropiadas para el factor R y magnitudes disímiles en el caso de la sobre-resistencia. En conclusión, se ratifico la necesidad de aumentar el largo de los pernos de anclajes en la mayor parte de las estructuras analizadas, además de recomendar el uso de pernos con mayores capacidades y ductilidades superiores con la finalidad de maximizar la energía disipada por los pernos de anclaje.

Autor no autoriza el acceso a texto completo de su documento hasta el 25/11/2020. / Ingeniero Civil

Ingeniero Civil / La alta sismicidad en el país ha permitido el desarrollo de nuevas tecnologías de protección sísmicas con el fin de disminuir los riegos en la vida de las personas y los daños estructurales y no estructurales en los edificios. Dentro de estos elementos se ha popularizado paulatinamente el uso de Amortiguadores de Masa Sintonizada, debido a su bajo nivel de intervención estructural y arquitectónico, versus otras alternativas como los aisladores basales. Desafortunadamente el reciente uso de este dispositivo no ha logrado tener un consenso respecto a su eficacia, principalmente debido la falta de uniformidad en la metodología para evaluarla. El presente trabajo se enfoca en edificios sometidos a registros sísmicos en Chile, para esto se usó una base de dato de 132 registros de aceleración y la evaluación de su eficacia se hizo en función de la reducción porcentual entre la estructura sin y con AMS. La determinación de los parámetros óptimos de diseño del dispositivo fue determinada previamente por autores suponiendo diferentes modelos matemáticos para caracterizar la aceleración basal. Estos parámetros se variaron en una vecindad para efectuar un análisis de sensibilidad y determinar cuáles corresponderían a los casos más favorables de reducción para posteriormente, al considerar variaciones en los parámetros, identificar el nuevo comportamiento de la estructura (lineal y no lineal). La gran cantidad de variables en el problema llevo a la elaboración de una Interfaz Grafica (IG), desarrollada por medio del software Matlab con la herramienta GUIDE, que permitiría obtener resultados de forma más rápida. Se complementó el trabajo de diseño con el software de elementos finitos SAP2000. El trabajo complementario permitió corroborar el correcto funcionamiento de la IG y determinar los casos desfavorables que generan amplificación en la estructura. Los resultados en este trabajo permiten determinar la relación entre las variables que contribuyen a un mejor comportamiento del sistema. Finalmente, para valores de razón de masa menores a 4% y amortiguamientos entre 2% y 5% la reducción porcentual promedio, considerando una desviación estándar menos, es prácticamente nula, por lo que el dispositivo no se considera eficaz para la práctica chilena. / Este trabajo ha sido parcialmente financiado por CONICYT.

El objetivo de este trabajo de título es evaluar la aplicabilidad de los métodos simplificados de análisis, propuestos en la norma chilena de diseño de edificios con disipadores actualmente en estudio. Se desea saber si estas metodologías son prácticas de aplicar para predecir el comportamiento global de estructuras con disipadores, sometidas a sismos chilenos, y comprobar si las estimaciones que entregan son lo suficientemente precisas cuando se analiza una estructura real. Se eligieron tres estructuras altas de hormigón armado, una real y dos ficticias. Se construyó un modelo en ETABS® de las estructuras sismorresistentes y de los sistemas disipadores, representando la distribución espacial de las propiedades de masa, rigidez y amortiguamiento. Las estructuras y los disipadores se diseñaron con el método modal espectral, para ser luego verificadas con el método dinámico no-lineal, considerando la no-linealidad de los disipadores. Se observó que los diseños resultaron conservadores y que la capacidad de predicción del método estudiado es baja. Sin embargo, se constató que existen algunas limitaciones importantes del software utilizado que pudieran explicar, al menos en parte, la baja precisión de esta metodología. La más importante es la imposibilidad de ingresar los valores de amortiguamiento, según el cálculo establecido en la propuesta de norma, cuando se realizan análisis modales espectrales. Finalmente, se proponen algunos caminos para evaluar, en primer lugar, el efecto de la mencionada imposibilidad de definir uno a uno los amortiguamientos modales y, en segundo, la diferencia en los resultados obtenidos con el método modal espectral y no-lineal de respuesta en el tiempo, producto de la concentración del amortiguamiento en algunos puntos de la estructura.

Los lagos en Chile central, como la mayoría de los cuerpos lacustres a latitudes medias, se estratifican durante la temporada estival. La transición entre la zona superficial cálida denominada epilimnion y la zona profunda fría denominada hipolimnion, es usualmente brusca, lo que permite tener un modelo conceptual de dos capas de densidad homogénea, separados por una interfaz de densidad en la zona, denominada termoclina, que se ubica en la profundidad a la cual se registran los máximos gradientes verticales de densidad. A escala diaria, la principal fuente de energía de un lago es el viento que actúa en la superficie. El trabajo mecánico realizado por el viento se transfiere a la columna de agua como energía cinética turbulenta, teniendo capacidad suficiente para mezclar las aguas someras y excitar ondas en un amplio rango de escalas, desde seiches internos de baja frecuencia hasta ondas de alta frecuencia con características no-lineales y no-hidrostáticas, como las ondas tipo solitarias. Estas ondas se ven afectadas por la aceleración de Coriolis si la frecuencia inercial de la Tierra a la latitud del lago es mayor a la frecuencia de las ondas internas excitadas, trayendo como consecuencia la modificación de las ondas internas de gran escala, que pueden transformarse en ondas tipo Kelvin y Poincaré, principalmente. La dinámica de las ondas internas excitadas por el viento y afectadas por la rotación terrestre puede ser alteradas por fenómenos no-lineales cuando la escala de empinamiento, la cual está relacionada con la razón de aspecto de la estratificación, es menor que el periodo de las ondas internas. Considerando estas variables, o sea la acción del viento sobre la superficie, la acción de la rotación terrestre y la razón de aspecto de la estratificación, se llevó a cabo un estudio experimental de laboratorio, con el objetivo pricipal de estudiar la respuesta de ondas internas de gran escala en un cuerpo de agua estratificado afectado por la rotación del medio. Las experiencias fueron caracterizadas a partir de los números adimensionales Wedderburn, Burger y la razón de aspecto. El estudio experimental se desarrolló en el laboratorio de Hidráulica del Departamento de Ingeniería Civil, de la Universidad de Chile. Los principales resultados de esta investigación fueron la construcción de una mesa rotatoria experimental, la modelación y metodología experimental y los registros experimentales, con su posterior análisis. El montaje experimental permite modelar un variado rango de frecuencias de rotación, crear diferentes condiciones de estratificación utilizando mezclas salinas, generar inclinaciones de la interfaz de densidad hasta condiciones extremas, pudiendo simular la ausencia súbita de viento, que permite analizar el comportamiento de la interfaz de densidad luego que se pierde el estado forzado. La dinámica vertical de la picnoclina se registró con dos cámaras que rotan solidarias al estanque. Usando este sistema, se realizaron tres set de experimentos, con un total de 24 experimentos, los cuales buscaron capturar el comportamiento de las ondas internas variando cada uno de los parámetros analizados, con especial interés en las condiciones adimensionales existentes en el lago Villarrica, IX Región de Chile. Las observaciones permiten concluir que la relajación de la condición forzada inicial genera un seiche que evoluciona en el tiempo en respuesta a efectos de rotación, como ondas Kelvin y Poincaré, que, debido a sus interacciones no-lineales y no-hidrostáticos, degenera en ondas tipo solitones. A través del uso de un filtro Pasa-Banda se reconstituyeron sintéticamente los modos dominantes de oscilación observados en el espectro de densidad potencial de las series de tiempo, con los cuales se estudió y caracterizó: (1) Ondas no-lineales, tipo solitarias, las cuales fueron observadas para razones de aspecto menores a 0.5; (2) Interacción no-lineal y no-hidrostática de las ondas fundamentales Kelvin y Poincaré, la que fue observada principalmente para números de Wedderburn 0.5 (condición de upwelling); (3) Distribución de energía entre los modos dominantes, lo que arrojó que los modos fundamentales de las ondas Kelvin y Poincaré, contienen gran parte de la energía potencial del sistema; (4) Disipación de energía de la onda Kelvin debido a cambios en los números de Wedderburn, Burger y razón de aspecto, con lo que se obtuvo que tanto el efecto de la rotación, como los fenómenos no-lineales gatillados por la razón de aspecto y el número de Wedderburn son relevantes parámetros en la escala temporal de disipación de energía. Los resultados obtenidos permiten entender de forma más acabada el comportamiento no-lineal y no-hidrostático de las ondas internas en función de los forzantes externos, de la estratificación y la rotación del medio.