Tesis

Este trabajo trata sobre los efectos dinámicos y estáticos que causan la presencia de orificios en elementos estructurales isótropos, ortótropos y anisótropos. Con respecto a los efectos estáticos se puede resumir que los desplazamientos y esfuerzos se ven afectados por la presencia de orificios, aparecen zonas con concentración de esfuerzos que dependen de la forma geométrica y del tamaño del orificio, la ubicación del orificio en la pieza estructural, así como también de la orientación de las direcciones elásticas principales (materiales ortótropos) y de las relaciones de rigideces del material (ortótropos y anisótropos). En cuanto a los efectos dinámicos, la presencia de orificios produce variaciones en los valores de las frecuencias naturales y alteraciones en las correspondientes formas modales. Por otro lado, las estructuras con orificios son muy utilizadas en la práctica de la ingeniería. Los orificios se hacen por variadas razones: para alivianar la estructura, para el pasaje de cañerías y cables, para permitir el acceso a otras partes de estructuras, para alterar la respuesta dinámica, etc. Es por ello que, seguramente, en su desenvolvimiento profesional, el ingeniero se encontrará con situaciones particulares complejas (huecos de formas diversas, geometrías no convencionales, materiales ortótropos, etc.) que no pueden modelarse como casos particulares de enfoques generales. En consecuencia, deben ser resueltos específicamente. El objetivo general del estudio realizado es contribuir a mejorar la performance de la estructura al adecuar su diseño de acuerdo a los parámetros que definen su comportamiento dinámico y estático. Con ese conocimiento se puede lograr un diseño más racional del elemento estructural en estudio. Como por ejemplo adoptar geometrías más adecuadas para la forma del orificio, de modo de permitir minimizar los efectos no deseables producidos por su presencia, o elegir una orientación óptima para las direcciones principales elásticas o una conveniente relación de rigidices en el material ortótropo o anisótropo. La solución exacta de los casos analizados en el presente estudio, por su propia naturaleza, es en general de muy difícil o imposible obtención, por lo que se obtuvieron soluciones aproximadas. Para el planteo de las soluciones aproximadas, se dispone de los métodos de aproximación numérica. En particular, el método de elementos finitos ha adquirido gran desarrollo y permite resolver con muy buena aproximación casi cualquier problema en el campo de la mecánica de sólidos. El método de elementos finitos se utilizó para modelar los sistemas que se estudiaron. Para ello se diseñaron diferentes mallados de elementos finitos apropiados para las características de los problemas tratados. Se seleccionaron los modelos que brindaban una relación apropiada de estabilidad numérica y tiempo de cómputo más reducido. Por entenderlo de interés desde el punto de vista monográfico y didáctico, facilitando su lectura, se han incorporado en el primer capítulo consideraciones generales sobre la teoría básica de la mecánica del sólido. En el capítulo 2 y capítulo 3 de la tesis se analizó una placa de material ortótropo sometida a un estado de tensiones en su plano con un orificio circular y un orificio rectangular con bordes redondeados de gran relación ancho versus altura respectivamente. En el análisis se consideraron diferentes relaciones de rigidez del material, con el objetivo de extender los resultados para diversos materiales ortótropos. Para los diferentes casos modelados se obtuvieron valores numéricos comparativos del factor de concentración de tensiones así como también se determinó la ubicación de los puntos del contorno del orificio donde se produce tal efecto. En el capítulo 4 se analiza el efecto de un orificio cuadrado sobre la distribución de tensiones existentes en una placa sometida a esfuerzos en su plano. La cercanía del borde exterior al orificio es considerada, ampliando el trabajo de Lekhnitskii de la placa infinita, para la placa finita y diversos estados de carga. En el capítulo 5 se analiza la influencia de dos orificios circulares en el factor de concentración de tensiones de una placa cuadrada de grandes dimensiones que presenta un orificio cuadrado de vértices redondeados. Por último, en el capítulo 6 se determinan las frecuencias naturales de vibración transversal de placas rectangulares de material ortótropo, con diversas condiciones de bordes en su contorno, con orificios cuadrados en su dominio y sometidas a esfuerzos normales en su plano medio. / This work is about the static and dynamic effects caused by the presence of holes in orthotropic and anisotropic structural elements. As regards the static effects, it can be concluded that strains and stresses are affected by the presence of holes. They produce the appearance of areas with stress concentration which depend on the geometric shape and size of the hole, the location of it in the structure, as well as the orientation of principal elastic directions (orthotropic materials) and the material stiffness relations (orthotropy and anisotropy). In terms of the dynamic effects, the presence of holes produces variations in values of natural frequencies and alterations in their correspondent modal shapes. On the other hand, structures with holes are very frequent in engineering. Holes are drilled for several reasons: to lighten the structure, to pass ducts and wires, to allow access to other parts of the structure, to alter the dynamic response, etc. It is because of this, that the engineer will find complex situations (holes of varied shapes, non-conventional geometries, orthotropic materials, etc) which can not be modelled such as particular cases with a general approach. In consequence they must be solved specifically. The general objective of the study is to contribute to improve the performance of the structure by adapting its design according to the parameters which define its dynamic and static behaviour. This knowledge enables us to get a more rational design of the structural element studied, for example: adopting more suitable geometries for the shape of the hole in order to diminish non desired effects produced by its presence or to choose the optimal orientation for the principal elastic directions or a convenient stiffness relation in the orthotropic or anisotropic material. Due to their nature, the exact solution for the cases analyzed in the current study is in general very difficult or even impossible to get. Consequently, approximate solutions were obtained. The method of finite elements was used for modelling the systems studied. For that reason, different meshes of finite elements were designed, appropriate for the characteristics of the problems treated. The models showing a suitable numeric stability and less computing time were selected. Considered of interest from the monographic and didactic point of view, general considerations about the basic theory of solid mechanics were incorporated in the first chapter. Chapter 2 and 3 study a plate of orthotropic material subject to in-plane loading with a round hole and a rectangular one with rounded corners and a great width- height ratio respectively. In the analysis, different stiffness relations were considered in order to extend the results to different orthotropic materials. The different cases modelled gave numeric comparative values of the stress concentration factor and the location along the contour of the hole where such effect is produced. Chapter 4 analyzes the effect of a rounded- edge square hole on the distribution of existent strains in a plate subject to in-plane loading. Chapter 5 analyzes the influence of two round holes in the stress concentration factor of a big plate with a square hole with rounded corners. Finally, chapter 6 determines the natural frequencies of transverse vibration of rectangular orthotropic plates with different boundary conditions with square holes subject to in-plane loading.

El objetivo de esta tesis es el desarrollo de métodos de particionamiento y análisis estructural de modelos matemáticos y estructuras de datos provenientes de distintas áreas del conocimiento. Los requerimientos que se desean cumplir son los siguientes: I. Manejo más eficiente de los modelos y las estructuras y II. Uso más extensivo de la información contenida en ellos. Como punto de partida para el análisis estructural de los diversos casos estudiados, se utilizó el Método Directo Extendido (MDE). Además, uno de los algoritmos sobre grafos que comprenden las distintas etapas de su funcionamiento fue utilizado sobre la estructura de un directorio web. Con respecto a los temas abarcados en la investigación, esta tesis está concentrada en dos grandes campos de aplicación: I. Particionamiento estructural de modelos matemáticos provenientes de la Ingeniería Química, y II. Modelos estructurales que se utilizan como base para las Ciencias de la Información. En la primera sección se describe el trabajo realizado sobre distintos modelos matemáticos de Ingeniería de Sistemas de Proceso. Luego, la investigación fue enfocada en el tratamiento estructural de grandes volúmenes de datos que son utilizados para el cálculo de medidas de similitud semántica. De acuerdo con las dos áreas de aplicación mencionadas, se enumeran las contribuciones del trabajo realizado: - En Ingeniería de Sistemas de Proceso se perfeccionó el MDE, que genera un particionamiento de la estructura del sistema de ecuaciones. Con ello se hizo posible no sólo aumentar la cantidad de variables determinables en los modelos matemáticos implementados, sino también reducir la complejidad de cálculo. Esto último se logró con un mejor ordenamiento de las ecuaciones, poniendo énfasis en la selección guiada de ecuaciones con características deseables, como por ejemplo un bajo grado de no linealidad. Tanto para problemas de simulación como de optimización, este algoritmo puede hacer más sencilla la tarea de su resolución y disminuir la cantidad de información inicial requerida en los modelos correspondientes. - En Ciencias de la Información, fueron elaborados distintos modelos de propagación de relevancia sobre un directorio conocido de sitios de internet. Algunos se obtuvieron mediante la utilización de operaciones sobre matrices ralas de gran porte. Los otros fueron generados con un algoritmo sobre grafos que lleva a cabo la detección de componentes fuertemente conexas en un grafo dirigido. Este algoritmo está implementado en una de las etapas del MDE, descripto anteriormente. Además, estos modelos fueron validados experimentalmente en base a criterios estadísticos. Los mismos pueden aumentar la precisión en la determinación de valores de similitud semántica entre documentos, lo cual puede apreciarse en pruebas estadísticas llevadas a cabo a lo largo de la investigación. De acuerdo a los resultados obtenidos, su información sobre propagación de relevancia puede ser útil para diferentes propósitos en Ciencias de la Información. / The objective of this thesis is the development of structural partitioning and analysis methods for mathematical models and data structures that come up in different knowledge areas. The desired requirements to be fulfilled were: I. more efficient handling of the structures and models and II. wider usage of the information. As a starting point for the structural analysis of the various case studies, the Extended Direct Method (EDM) was employed. Besides, one of its graph-based algorithms that take part in some of EDM stages was applied to web-directory structures. Regarding the research topics involved, this work concentrated in two big application fields: I. Structural partitioning of mathematical models from Chemical Engineering, and II. Structural models used as a basis in Information Sciences. In the first place, different mathematical models of Process Systems Engineering were analysed. Then, the research was focused on structural treatment of big data stores that are useful for semantic similarity measurements calculation. According to these application areas, the contributions of this thesis are the following: - In Process Systems Engineering the EDM algorithm, which generates a partitioning of the equations system structure, was improved. This improvement made it possible not only to augment the amount of determinable variables in the implemented mathematical models, but also to reduce the calculation complexity. The latter was achieved by means of a better equation ordering with emphasis on the guided selection of equations with desirable properties, e.g. a low degree of non-linearity. For both simulation and optimization problems, the improved algorithm can make their resolution task easier and diminish the amount of required initial information about the corresponding models. - In Information Sciences various relevance propagation models over a known Web sites Directory were developed. Some of these models were obtained by using matrix operations on broad-range sparse matrices. The other ones were generated with a graph algorithm that performs the strongly connected components detection over a directed graph. This algorithm is implemented in one of the stages of the EDM, described previously. Besides, they were empirically proved, based on statistical criteria. The developed models can raise accuracy on determining semantic similarity between documents. They had an average accuracy of 65% in the implemented tests. According to this result, their information about relevance propagation could be useful for different purposes in Information Sciences.

Memoria para optar al título de Ingeniero Civil / En este trabajo de título se presenta el estudio numérico en base a elementos finitos de una conexión a momento tipo End-Plate , la cual consiste en una placa de acero soldada a la sección transversal de la viga, donde la unión se produce al apernar la placa a la columna solo que en este caso la placa se conectará a una plancha unida a placas de continuidad instaladas en el alma de la columna, a diferencia de una unión por eje fuerte en que la placa End-Plate es apernada a las alas y no por la zona del alma. Para llevar a cabo el diseño de dicha conexión, en el programa de análisis estructural ETABS 2016 se modeló un edificio de oficinas de 4 pisos de altura compuesto por marcos a momento ubicado en Santiago, Chile, y su diseño fue hecho de acuerdo a lo establecido por la norma NCh433 Diseño sísmico de edificios y por las especificaciones AISC 341 y AISC 360. Con los perfiles vigas y columnas obtenidos, se diseña la conexión de acuerdo a la norma AISC 358-16 Prequalified Connections for Special and Intermediate Steel Moment Frames for Seismic Applications debido a que la conexión End-Plate está precalificada para su uso y la unión propuesta pretende ser análoga a una unión por eje fuerte. Finalizado el diseño, en el programa de elementos finitos ANSYS v17.2 se lleva a cabo el estudio numérico y consiste en el análisis de 4 configuraciones de la conexión, bajo diferentes niveles de carga axial, sometidos a desplazamientos controlados cuya aplicación se hace de acuerdo al protocolo de carga establecido en AISC 341-16 con el objetivo de identificar zonas de falla y de verificar que se cumpla la filosofía de diseño empleada en el diseño de la conexión. Al analizar los resultados obtenidos es posible observar que la conexión propuesta para uniones por eje débil presenta un comportamiento semi-rígido según lo definido en la norma AISC 341-16 y además provoca una disminución en la rigidez de aquellas vigas que llegan a la columna por el eje fuerte debido a plastificaciones locales observadas en las alas y alma de la columna a medida que se incrementa el número de vigas que llega al nodo de conexión y el nivel de carga axial. Sin embargo, a pesar de que se cumple con el requisito de resistencia mínima para que la conexión pueda ser utilizada en marcos especiales a momento, se observan plastificaciones locales en los alrededores de la zona panel de la columna cuando se conecta más de una viga en la zona de unión, lo que lleva a proponer para futuras investigaciones el análisis de implementación de otros métodos de rigidización de dicha zona para evitar que la columna incursione en rango inelástico o bien llevar a cabo estudios de desempeño sísmico de otras conexiones pre-calificadas cuando son implementadas por eje débil para ampliar la gama de conexiones disponibles para este tipo de uniones y establecer con mayor claridad cuando es factible su utilización.

El aislamiento de base es uno de los sistemas de protección sísmica con mayor efectividad. Esta técnica consiste en insertar una interfaz flexible compuesta por aisladores en la base de un edificio. La flexibilidad de los dispositivos logra que el periodo fundamental de la estructura se incremente, de tal manera que las solicitaciones sísmicas que actúan sobre la estructura se reducen considerablemente. En Perú existen estructuras con aislamiento sísmico, pero no se cuenta con un código peruano de diseño de estructuras aisladas; esto obliga al proyectista a realizar el diseño de este tipo de estructuras haciendo referencia a normas extranjeras. El presente trabajo propone una serie de procedimientos o metodología para el análisis y diseño de estructuras aisladas, basada en conceptos teóricos y casos prácticos. Esta metodología utiliza como documentos de referencia algunos códigos internacionales de diseño y la Norma Peruana de Diseño Sismorresistente E.030. Se usó como ejemplo un edificio aporticado de concreto armado de cinco pisos, con un sistema de aislamiento en su base. Se prediseñó el sistema de aislamiento empleando métodos estáticos sobre un sólido rígido y se hizo un análisis espectral de todo el edificio como verificación previa. El diseño final se desarrolló empleando procedimientos de análisis Tiempo-Historia No Lineal. El diseño del sistema de aislamiento del edificio se desarrolló tomando como información los resultados del análisis tanto para el sismo de diseño (SD) como el sismo máximo posible (SMP) considerados para estructuras peruanas. Finalmente se realizó un prediseño básico de los aisladores, considerando que son del tipo HDRB, y también se diseñaron algunos elementos estructurales utilizando la Norma E.060 Concreto Armado. Se concluyó que un edificio aislado tiene un desempeño superior al que tendría un edificio con base fija. Sin embargo, para logar aislar un edificio se deben cumplir algunos requisitos mínimos. Por otro lado, los procedimientos de análisis y diseño presentados pueden ser ajustados de acuerdo a la aparición de nuevos códigos e investigaciones, sobre todo algunos parámetros de diseño que deberían ser adaptados a la realidad peruana. / Tesis

La presente investigación tiene por finalidad diseñar un complejo deportivo para el centro poblado de Saltur - Distrito de Zaña, utilizando estructuras especiales, debido a que este centro poblado no cuenta con un espacio adecuado en que los pobladores puedan realizar actividades deportivas que favorezcan su crecimiento personal y por ende mejore su salud y calidad de vida, por el contrario, lo que se percibe es que muchos pobladores en especial jóvenes se dedican a actividades de pandillaje, micro comercialización de drogas y no utilizan adecuadamente sus tiempos libres. Existiendo una necesidad latente en la zona y partiendo de los planos de arquitectura, se realiza el diseño estructural de dicho complejo deportivo, proponiendo cubrir las luces de las losas deportivas y el polideportivo con un sistema constructivo no convencional denominadas tensoestructuras, que son estructuras ligeras que resulta un sistema muy eficiente ya que los elemento que lo componen son de tramos altos con pocos apoyos, grandes luces y tiene una superficie delgada y flexible que soporta las cargas únicamente a través del desarrollo de esfuerzos de tracción de modo que ofrezca una infraestructura segura y adecuada. / Tesis

El objetivo de esta investigación es determinar en qué medida influye la consideración de la degradación de la rigidez causada por el agrietamiento cuando se realiza el análisis sísmico de edificaciones de Lima. Para ello, se definieron dos estructuras ficticias que reúnen características geométricas de edificios existentes en esta ciudad. Se modelaron las estructuras considerando la rigidez bajo 4 enfoques: Factores de reducción mostrados en ACI 318-14, ASCE 41-13, rigidez dependiente del refuerzo y secciones no agrietadas. Se analizaron estas edificaciones mediante los análisis estático y dinámico lineal descritos en la norma nacional E.030-2016. Los edificios fueron diseñados para todos los 8 casos de acuerdo a la norma nacional E.060-2009. Finalmente, se realizó el análisis estático no lineal definido por la norma ASCE 41-13 a los edificios con diseño resultantes de los análisis con secciones sin agrietar y secciones agrietadas considerando el refuerzo. Como resultado, las derivas incrementaron en hasta 95%, la fuerza cortante basal incrementó hasta un 40%, los periodos de vibración incrementaron hasta un 75%, entre otros. Se concluye que considerar la reducción de rigidez provocó la variación del diseño de vigas, lo que deriva en el encarecimiento de la construcción. Asimismo, se revela que no considerar la reducción genera subestimación del valor de junta sísmica requerida. / The aim of this research is to determine to what extent affects the consideration of the relationship of stiffness loss due to cracking when performing the seismic analysis of buildings in Lima. For this purpose, two fictitious structures were defined that meet the geometric characteristics of existing buildings in this city. The structures were modelled considering the stiffness under 4 approaches: Stiffness reduction factors shown in ACI 318-14, ASCE 41-13, rebar dependant stiffness and uncracked sections. These buildings were analysed through the linear static and dynamic analysis described in the national standard E.030-2016. These buildings were designed for all 8 cases according to the national standard E.060-2009. Finally, a nonlinear static analysis defined by the standard ASCE 41-13 was performed on the buildings with the designs resulting of the analysis with uncracked sections and cracked sections considering the rebar. As a result, the drifts increased by up to 95%, the basal shear force increased by up to 40%, the vibration periods increased by up to 75%, among others. It is concluded that considering the reduction of stiffness caused variation in the design of beams, therefore the increase of the construction cost. Likewise, it is revealed that not considering the reduction generates underestimation of the required seismic joint. / Tesis

Tesis para optar al grado de Magíster en Ciencias, Mención Ingeniería Sísmica / Memoria para optar al título de Ingeniero Civil / Identificar y evaluar variaciones en las propiedades dinámicas de una estructura frente a excitaciones externas permite establecer el estado de salud y su posible daño. Adicionalmente, las propiedades identificadas pueden ser utilizadas para calibrar modelos teóricos con los cuales se realiza el diseño estructural. Las técnicas más utilizadas para determinar las propiedades dinámicas de un sistema estructural son el método de Espectro de Densidad de Potencia (PSD), la Descomposición en el Dominio de la Frecuencia (FDD) y el Método del Sub‐Espacio Estocástico (SSI). En la presente investigación se estudian desde un punto de vista teórico y con ejemplos analíticos las técnicas antes mencionadas. Posteriormente éstas se aplican a los registros obtenidos de una red de monitoreo continuo instalado en un edificio durante proceso constructivo (Edificio Titanium La Portada, de 192.5 metros de altura) por un periodo de 5 meses. A partir de estos resultados se evalúan los efectos de corto y mediano plazo que genera el proceso constructivo y parámetros ambientales en las propiedades dinámicas de una estructura. Adicionalmente se evalúa las dificultades de un monitoreo de salud en una estructura en proceso constructivo. En general los procedimientos de identificación permitieron establecer los parámetros de variación de la frecuencia en forma robusta, independientes de la severidad de las vibraciones producto de las actividades constructivas.

Ingeniero Civil / Diversas son las estructuras que, dadas sus dimensiones y condiciones locales del suelo, presentan múltiples entradas sísmicas. Las ecuaciones de movimiento que describen el sistema son expresadas en términos de desplazamientos totales o relativos al suelo. La teoría muestra que la respuesta total puede ser obtenida a partir de una combinación de respuestas modales, esto puede llevar a interpretar que la contribución de cada modo puede ser analizada directamente a partir de registros de desplazamientos, velocidades o aceleraciones totales; es decir, sin desagregar la componente seudoestática. Muchos estudios experimentales de estructuras con múltiples entradas sísmicas no eliminan el efecto del movimiento del suelo, lo cual genera una incorrecta interpretación de resultados en términos del estudio de la contribución de la respuesta modal, como la evaluación de su energía interna y disipación por amortiguamiento. En el contexto de lo anterior es que en el presente trabajo de título se determinará experimentalmente la real contribución de los modos de vibración de una estructura sometida a múltiples entradas sísmicas, desagregando la componente seudoestática para el cálculo de energía interna, es decir, la respuesta relativa será obtenida como la diferencia entre la respuesta total, medida directamente por los sensores, y la componente seudoestática. La configuración experimental consta de dos estructuras unidas por un resorte, una de las estructuras se dispone sobre una mesa vibradora principal, mientras la otra se instala sobre una mesa vibradora secundaria que a su vez se dispone sobre la mesa vibradora principal. Lo cual permite desarrollar estudios experimentales de una estructura sencilla sujeta a múltiples entradas sísmicas. En una primera etapa se determinan las propiedades dinámicas del sistema estructural mediante ensayos de tipo pull-back y a partir de registros de ruido blanco. Con ello se lleva a cabo una calibración del modelo numérico de la estructura, ajustando la matriz de rigidez y amortiguamiento, y determinando las formas modales que permiten el posterior estudio de la respuesta a partir de los datos experimentales que se obtengan. En una etapa posterior se realizan ensayos con múltiples entradas sísmicas donde se compara la contribución modal y la contribución seudoestática a la respuesta del sistema. La componente seudoestática se determina a partir del ajuste de la matriz de rigidez, calculando su valor directamente. Adicionalmente, se desarrolla un método a partir de ecuaciones de espacio-estado con el que se estima dicha componente. Se concluye que la componente seudoestática aporta significativamente a la energía interna de la estructura, en especial para estructuras rígidas. Por lo tanto, la evaluación de la respuesta de estructuras con múltiples entradas debe ser estudiada considerando esta componente y su aporte de energía.

El documento a presentarse a continuación describe el análisis y diseño de una estructura prefabricada, conformado por pórticos de concreto armado ubicado en la ciudad de Lima. El contenido de este documento se ha dividido en 5 capítulos, que describen y especifican los elementos y la estructura prefabricada seleccionada en los dos primeros capítulos; mientras que en los tres siguientes capítulos se realiza el análisis y diseño de elementos que conforman la estructura. Con las premisas tomadas y descritas en los primeros capítulos, se continúa con el desarrollo de los siguientes capítulos, que permitirán obtener las conclusiones que serán presentadas en la parte final de este documento. El resultado final al que se pretende llegar, es la verificación de la viabilidad de la construcción de estructuras prefabricadas en zonas de alto grado de sismicidad, dentro del territorio peruano. / The document to be presented below describes the analysis and design of a prefabricated structure, consisting of reinforced concrete frames located in the city of Lima. The content of this document has been divided into 5 chapters, which describe and specify the elements and the prefabricated structure selected in the first two chapters; while in the three following chapters, the analysis and design of elements that make up the structure is performed. With the premises taken and described in the first chapters, the development of the following chapters is continued, which will allow obtaining the conclusions that will be presented in the final part of this document. The final result that we inted to reach, is the verification of the viability of the construction of prefabricated structures in zones of high degree of seismicity, within the peruvian territory. / Tesis