Mecánica para ingenieros. 5. Esfuerzos y deformaciones

En construcción de túneles urbanos las características constructivas se definen en base a la minimización de los impactos en superficie, haciendo imprescindible la correcta predicción de los asentamientos asociados a la excavación. Estos asentamientos definirán los daños potenciales a ocurrir en superficie así como también las necesidades de soporte necesarias a incorporar en la construcción de estas excavaciones. El diseño del soporte final entre otros afectará el perfil inversional del proyecto. En proyectos de túneles las mediciones obtenidas a través del monitoreo de esfuerzos y deformaciones, son particularmente relevantes para verificar la materialización de la función portante del suelo alrededor del túnel; para verificar las bondades del método y la secuencia de excavación y sostenimiento, y también las distancias que existen entre los frentes de sectores parciales de excavación y de la excavación; y para la capacidad portante del sistema de sostenimiento del túnel en relación a los objetivos de asentamientos previstos en la proyección. Se implementará en terreno un sistema topográfico que permitirá medir los efectos de la excavación sobre la superficie del terreno junto a strain gages e inclinómetros que medirán los esfuerzos sobre el revestimiento del túnel y los desplazamientos horizontales respectivamente. De esta forma las mediciones obtenidas a través del monitoreo servirán como elemento de juicio sobre la base de comparar el pronóstico con el comportamiento actual para decidir la implementación de eventuales medidas de refuerzo que permitan optimizar el proceso constructivo. El trabajo de memoria presentado en este documento propone una metodología de análisis que permite recomendar bases para el diseño constructivo de túneles basado en la comparación descrita en el párrafo anterior. El método antes descrito permitió concluir que para excavaciones realizadas con el método conocido como NATM en terrenos con menos de 5m de cobertura no es recomendable realizar avances de excavación mayores a un metro por el riesgo de colapso debido a asentamientos bruscos del sistema, y que dadas las grandes diferencias entre los parámetros del suelo usados en el diseño y los efectivamente constatados en terreno, se hace necesario reformular los modelos predictivos usando los datos recopilados en esta memoria, y, por lo mismo, se recomienda continuar con las lecturas de los strain gauges e inclinómetros hasta el fin de su vida útil, sobre todo en invierno, para contrastar los esfuerzos inducidos por el aumento del nivel de la capa freática versus los valores usados en el diseño del revestimiento secundario con objeto de optimizar el diseño de futuras extensiones de líneas y nuevas estaciones.

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 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.

Ingeniero Civil / Para determinar el modo de falla y la carga crítica asociada, se realizaron tres tipos de análisis. Bajo el criterio descrito por la norma de diseño AISC, según las fórmulas desarrolladas por Marsh (1997) en su trabajo Design of Single and Multiple Angle Columns and Beams y mediante un análisis no lineal a través del programa de elementos finitos ANSYS, en el cual se realiza un estudio estático tipo Push-Over. La metodología utilizada consistió en calcular la carga crítica y modo de falla dada por cada método de análisis. Además, con los modelos de elementos finitos se determinaron las solicitaciones sobre las placas de conexión de los arriostramientos, tanto su magnitud como la distribución sobre las caras de las placas. Para el desarrollo de la investigación se utilizó una gama de perfiles XL de dimensiones comúnmente utilizadas en la práctica y largos totales de 1.5, 2.5, 5 y 10 metros. Con los resultados obtenidos se generó una clasificación de la falla predominante en los perfiles XL y se definió que la tendencia de los perfiles a fallar por torsión se encuentra relacionada con la razón entre la esbeltez global y local menor a 5.5. Por el otro lado, los elementos que superan este valor muestran fallar por pandeo flexural. Finalmente, para los elementos que fallen por flexión, se recomienda diseñar la conexión de cada cara de la placa para la carga total obtenida. Mientras que para los elementos con falla torsional es posible utilizar la mitad de la carga para cada conexión.

Ingeniero Civil / El estudio del comportamiento de riostras de pandeo restringido conlleva a la necesidad de implementar un sistema de ensayo para poder obtener resultados e información relevante su desempeño sísmico. Estos elementos se componen de un perfil de acero interior rodeado por otro perfil de acero y una capa de mortero u otro material confinante entre ambos, se caracteriza por presentar estabilidad lateral ante demandas axiales alcanzando resistencia similar tanto en tracción como en compresión sin sufrir pandeo, y son útiles ante demandas sísmicas actuando como disipadores de energía. El objetivo del presente trabajo es el diseño y construcción de un sistema de ensayo de tracción y compresión para riostras de pandeo restringido. Dicho sistema es capaz de proporcionar la carga de manera axial solamente mediante un actuador hidráulico de 25 [ton] de capacidad. El sistema de ensayo entrega como resultado las curvas de carga versus desplazamiento para caracterizar cuantitativamente el desempeño de los prototipos de riostra en términos de disipación de energía ante la acción cíclica, y posee un sistema de control sencillo para poder aplicar los ciclos de carga de acuerdo a las disposiciones y recomendaciones para este tipo de ensayos. Para llevar a cabo lo anterior se implementó el sistema de ensayo en el laboratorio de estructuras del Departamento de Ingeniería Civil de la Universidad de Chile, donde se dispuso la instalación estructural lo suficientemente resistente para soportar las cargas generadas durante los ensayos. Como resultado se tiene un sistema que entrega mediciones confiables y son útiles para caracterizar cada prototipo ensayado, además de poseer un sistema de montaje y operación lo más sencillo posible.

Magíster en Ciencias de la Ingeniería, Mención Mecánica / Medir la vibración con cámaras de alta velocidad permite la disponibilidad de una gran cantidad de datos, ya que el sistema discretiza la super ficie a medir en un arreglo rectangular de miles de puntos. Contar con datos en alta resolución puede ser un factor positivo a la hora de localizar el daño y determinar su severidad, en especial cuando las zonas afectadas son de poco tamaño. El objetivo de esta investigación es explorar el potencial en el uso de un sistema de correlación de imágenes de alta velocidad (DIC) para la medición de la vibración y la detección de daño por delaminación en placas compuestas tipo panal de abeja. El estudio contempló la preparación de cinco escenarios de daño por delaminación, de diferentes formas y tamaños, más una placa sin daño, y la implementación de tres métodos de detección de daño basados en la curvatura de los modos de vibración: two dimensional gapped smooth method (TDGSM), uniform load surface method (ULSM) y strain energy method (SEM). Se midió la vibración de las placas con un sistema DIC de alta velocidad, en rangos cercanos a sus frecuencias naturales. Con los datos obtenidos mediante el sistema DIC se pudieron obtener los modos de vibrar de las placas, para los distintos escenarios de daño, pudiendo contar con al menos seis modos de vibración por placa. Estos datos fueron tratados con un algoritmo de suavizamiento y recuperación de datos. Posterior a esto, se aplicaron las metodologías de detección, utilizando la información de las placas con y sin daño. Se obtuvieron grá ficos de contorno de los índices de daño obtenidos con los métodos de detección, los cuales proporcionaron imágenes similares a radiografías de las placas. Los resultados obtenidos probaron la efi cacia de los métodos de detección de daño al utilizar la información obtenida mediante el sistema DIC. La curvatura de los modos de vibración es una característica altamente sensible a cambios locales en la estructura, y esta propiedad es la base de todos los métodos de detección utilizados. . Todos los métodos fueron capaces de detectar tanto la localización como parte de la severidad de los escenarios de daño estudiados. En los casos de daño múltiple, en su mayoría, las metodologías solo pudieron detectar uno de los daños presentes en la estructura. Destacó el método SEM , el cual fue capaz de detectar un área delaminada pequeña y un escenario de daño múltiple, que no habían sido detectados en trabajos anteriores, con otras técnicas de detección. / Este trabajo ha sido parcialmente financiado por CONICYT

Magíster en Ciencias de la Ingeniería, Mención Mecánica / Ingeniero Civil Mecánico / Hay algunos problemas en Mecánica del Medio Continuo donde encontramos cuerpos que exhiben una respuesta elástica no lineal, los cuales no pueden ser modelados adecuadamente usando la teoría elástica clásica, específicamente en casos donde hay deformaciones pequeñas y comportamiento no lineal del material. Algunos ejemplos pueden ser encontrados en la modelación de materiales frágiles y en Mecánica de Fractura. Recientemente, una nueva clase de relaciones constitutivas implícitas para cuerpos elásticos ha sido desarrollada para describir este tipo de respuesta elástica de sólido. Esta teoría contiene como subclase los clásicos cuerpos de Cauchy y de Green. Dentro de esta clase de relación constitutiva, uno puede obtener, a través de rigurosas aproximaciones, relaciones constitutivas para la deformación linealizada como una función no lineal del esfuerzo. Tal aproximación no es posible en las teóricas clásicas de elasticidad de Cauchy y Green, donde el proceso de linealización solamente llevará al clásico cuerpo elástico linealizado. Estudiamos los efectos de usar esta nueva clase de relaciones constitutivas, obteniendo los estados de esfuerzo y deformación para cuatro problemas de valor de frontera usando el Método de elementos Finitos. Los resultados son comparados con las soluciones encontradas en la literatura considerando la teoría clásica de elasticidad linealizada. Los problemas son: tensión uniaxial de una placa rectangular infinita con un agujero elíptico, tensión uniaxial de una placa rectangular finita con entalles de borde hiperbólicos, una placa semi-infinita con una carga puntual y una inclusión en una matriz blanda bajo tracción.

Ingeniero Civil Mecánico / Determinar el daño en estructuras y edificios luego de ocurrido un desastre natural, como puede ser un terremoto, es de crucial importancia para poder iniciar acciones de respuesta frente a emergencias de manera eficaz y que eviten el generar mayores pérdidas. Es por esta razón que se tornan necesarias herramientas predictivas fiables basadas en tecnologías de ingeniería moderna para evaluar las estructuras dañadas y ayudar a las autoridades a tomar mejores decisiones. La losa colaborante o Steel Deck, hoy en día tiene un importante rol en la construcción de losas de entrepiso en edificios y construcciones alrededor del mundo. En Latinoamérica, su uso es cada vez más común en grandes construcciones y Chile ha tomado un papel protagónico en su masificación, implementándolas en una gran cantidad de obras de construcción ya sea para edificios industriales, habitacionales, educacionales, estacionamientos y de servicio. El creciente interés se debe a las propiedades que entrega su estructura compuesta de chapas o láminas de acero las cuales funcionan como encofrado que soporta hormigón vertido. Se comporta entonces como una estructura mixta de acero-hormigón con características como buena resistencia estructural en poco peso, larga durabilidad y bajo costo. El objetivo de esta investigación es desarrollar y evaluar la utilización de tres algoritmos de detección de daños al utilizarlos en una losa colaborante los cuales funcionan en base a los cambios en sus modos de vibración y frecuencias naturales. Para esto se estudian diversos métodos de detección de daño mediante vibraciones y de esta forma determinar si existe falla, su ubicación y la magnitud el daño. El estudio comprende la preparación de modelos computacionales de losa colaborante con distintos escenarios de daño, sobre los cuales se realizará un análisis de las propiedades de vibración mediante software de ingeniería asistida para determinar sus modos de vibración y frecuencias naturales. Una vez obtenidos los modos de vibración se aplicarán los algoritmos de identificación de daño para poder estudiar su efectividad en los diferentes escenarios. Se espera poder determinar según los resultados, cuales son los alcances y limitaciones de cada método de identificación. Se estudiará la efectividad de cada uno según la calidad de la detección, la posibilidad de determinar la localización del daño y el grado de daño. / Este trabajo ha sido parcialmente financiado por proyecto Fondecyt 1170535

La sismicidad presente en el Perú y la orogenia andina poseen un origen común, la subducción la Placa de Nazca debajo de la Placa Sudamericana, esta convergencia tiene velocidades del orden de 8 cm/año dando forma a la actual topografía caracterizada por la presencia de la Cordillera de los Andes. Durante el periodo íntersísmico la sismicidad posee una distribución espacial bastante compleja, nosotros observamos que la sismicidad se correlaciona con la topografía, donde la placa subducida (slab) presenta una sismicidad con fallas inversas en la zona de antearco volviéndose normales en la zona de trasarco, disminuyendo esta sismicidad entre ambas zonas, específicamente en los Altos Andes (2000m). El peso litosférico de la alta topografía modifica el estado de los esfuerzos tectónicos generando un incremento en el esfuerzo vertical litosférico, el cual produce la compensación del esfuerzo tectónico generado por la subducción, produciendo de esta manera una disminución en la sismicidad. / Seismicity in Peru and the Andean orogeny possess a common origin, the subduction of the Nazca plate beneath the South American plate. This convergence has velocities of 8 cm/yr., giving form to the current topography characterized by the presence of the Andes Cordillera. During interseismic phases the seismicity has a complex spatial distribution, with seismic activity correlating with topography, where the subducting plate (slab) presents seismicity of inverse fault type in the forearc zone, normal seismicity in the backarc zone, diminishing this seismicity between the two zones, specifically in the high Andes (2000m). The lithospheric weight of high topography modifies the state of tectonic stresses, generating an increment in the vertical lithospheric stress, which produces the compensation of tectonic stress generated by subduction, thus producing a decrease in the seismicity.