Ingeniera Civil / El terremoto del 27 de febrero de 2010 dejó numerosos daños que afectaron parte de la obra gruesa de las construcciones en el país. Uno de los patrones más observados fue a nivel de subterráneos y primer piso donde suelen variar la distribución estructural y forma de los muros. Las cabezas de los muros es la zona donde se encuentran las mayores deformaciones de compresión producto de las cargas de flexión y compresión provocando el descascaramiento del muro. Éste fenómeno deja expuestas a las barras de refuerzo, enfrentándolas a la acción sísmica sin restricciones laterales mas allá de los estribos, provocando inevitablemente pandeo en ellas. Esta Memoria de titulo tiene como propósito comprender, a través de ensayos experimentales, el comportamiento a la fatiga con bajo número de ciclos de las barras de acero utilizadas en la construcción de elementos de hormigón armado. Se quiere determinar el número de ciclos que son necesarios para que distintas barras de refuerzo fallen por fatiga tras exponerlas a niveles altos de deformación. Además se desea incorporar el pandeo de las barras, ya que en la literatura actual no se ha abordado éste tema. El objetivo de cargar las probetas de forma cíclica es simular un movimiento sísmico y ver el comportamiento de cada una de ellas variando sus características geométricas. Con éste propósito se varían seis relaciones largo/diámetro (L/d) en el caso de barras Φ 8 y 4 relaciones L/d para Φ 16 sometiéndolas a diferentes rangos de deformaciones que varían entre un 1% y un 5% aproximadamente. Además de demostrar que la relación largo/diámetro tiene poco impacto en el comportamiento de las curvas (obteniéndose un leve aumento en el número de ciclos para el mismo nivel de deformación), se observa la similitud con los modelos existentes en la literatura.

Geólogo / Dentro de la mina El Teniente se producen sismos de magnitud Mw entre -2 y +2, en su mayoría inducidos por la explotación minera, y con mayor concentración en las unidades intrusivas félsicas. Dicha concentración se debería a un contraste de rigidez entre ellas y la roca de caja, a escala de macizo rocoso. En este estudio se busca asociar variables petrográficas con la rigidez a escala de probeta (E, Módulo de Young) de las distintas unidades del yacimiento. Además, se busca establecer diferencias con rocas porfídicas no pertenecientes al interior del yacimiento, que puedan tener menor alteración, mineralización y estructuras. Se cuenta con un total de 35 muestras con sección delgada y resultados de ensayos geotécnicos. De ellas, 17 fueron sometidas a ensayos de compresión uniaxial simple (CUS) en el marco de este trabajo, mientras que las 18 restantes fueron sometidas previamente a ensayos CUS y de compresión triaxial. Las secciones delgadas se confeccionaron a partir de las muestras ya ensayadas, y se realizó una descripción petrográfica de ellas. El Módulo de Young de las muestras varía aproximadamente entre 25 y 99 GPa. Este parámetro tiene una relación directa con la densidad, la resistencia a la compresión uniaxial, y aumenta en rocas cristal-soportadas (al considerar la textura glomeroporfídica como un soporte de cristales). También se estableció una relación inversa entre el tamaño del cristal más grande en muestras matriz-soportadas (usualmente plagioclasa, o biotita, de hasta 6 mm) con el Módulo de Young. Es decir, a mayor tamaño máximo de cristal, menor Módulo de Young. Esto puede deberse a una redistribución de esfuerzos al interior de la roca, generándose una anisotropía por la razón largo/ancho mayor a 2 de estos cristales. Las muestras del exterior del yacimiento no mostraron grandes diferencias con respecto a las del interior: tienen alteración (regional, calcita-epidota; o hidrotermal, sericita-clorita-opacos), y mineralización metálica de hasta un 5%, incluyendo esfalerita, magnetita, pirita, calcopirita y en algunos casos bornita. La diferencia que sí fue notoria, es la menor densidad de estructuras (vetillas, fracturas, etc.), lo que permitió obtener rupturas por matriz, como se buscaba. Este estudio no fue determinante sobre la mayor rigidez de los intrusivos félsicos. Sin embargo, se establecieron variables petrográficas que afectan los parámetros geotécnicos, tanto para las unidades intrusivas como para la roca caja. Por lo anterior, se recomienda sectorizar volumétricamente las rocas de El Teniente en función del soporte, el tamaño máximo de cristales, entre otros.

Ingeniero Civil de Minas / Existen en la actualidad diversos estudios empíricos que definen los anchos basales mínimos para inducir el hundimiento de la columna según la calidad del macizo rocoso. Sin embargo, muchos de ellos han perdido validez debido a que se realizaron para bajas alturas, bajo régimen de esfuerzos y mala calidad de roca en comparación a los escenarios en los que se encuentra la minería de hoy, siendo la minería por hundimiento la que se posiciona como el método por excelencia para la extracción de yacimientos cada vez más resistentes, más masivos y de menores leyes. En este nuevo escenario, una de las principales necesidades productivas es la necesidad de hundir mayores alturas de columna, objetivo cada vez más complejo de lograr debido a los mayores confinamientos y calidades de roca de los yacimientos modernos. Para entender mejor esta problemática se usa el modelamiento numérico, herramienta computacional que mejora año a año y ayuda a entender fenómenos geomecánicos sin la necesidad de ensayos reales. En particular, el software Abaqus muestra ser una gran herramienta computacional para modelar casos conceptuales y reales de la minería actual. Utilizando estas dos herramientas (empíricas y numéricas), es que se construyen modelos numéricos conceptuales con el fin de entender el impacto que provoca la geometría de la cavidad: el concepto de radio hidráulico basal y la geometría del cave-back, en el régimen de esfuerzos y la altura de columna máxima posible a hundir. La metodología consiste, para determinados radios hidráulicos, geometrías del cave-back y calidades de roca (MRMR), en construir modelos para diferentes razones de ancho y altura de la cavidad con el fin de entender el comportamiento de los esfuerzos principales y las condiciones de hundimiento para cada caso y luego definir las alturas máximas alcanzadas para los distintos escenarios. El mejor criterio encontrado para establecer estas condiciones fue el de la razón de los esfuerzos principales S1/S3 en función de la razón de altura y ancho h/B de la cavidad. Los resultados muestran, como se esperaba, que a mayores radios hidráulicos y menores valores de MRMR las alturas de columna alcanzadas serán mayores. Sumado a esto, se observa que una geometría más plana de la zona del cave-back provoca una disminución de la magnitud de los esfuerzos principales, en particular del esfuerzo principal menor S3 registrando mayores alturas de columna. Es por esto que, para una cavidad de RH y calidad del macizo fija, un cambio en la geometría del cave-back (y valores de los esfuerzos principales en su superficie para tal condición) provocará un aumento importante en las alturas de roca alcanzadas y por ende una mejora en la producción.

Geólogo / El presente trabajo de título tiene por objetivo analizar el comportamiento de la estructura de sostenimiento en túneles construidos en macizos rocosos de distintas calidades de roca afectadas por cargas sísmicas. Para lograr este fin, se crean modelos numéricos en 3D en el software FLAC3D de Itasca S.A., elaborados según una secuencia de modelamiento, la que representa la etapa estática, y afectados por la aplicación de un registro sísmico, la cual corresponde a la etapa dinámica. Se escoge este software y este tipo de modelos en 3 dimensiones, en vez de los métodos cinemáticos tradicionalmente utilizados en 2 dimensiones, ya que permiten obtener un historial de resultados durante cada etapa resolutiva en cualquier punto de control del modelo, en vez de solo una sección de la estructura en un momento determinado. Los análisis se realizan para tres distintas calidades de roca, en las que principalmente varía su GSI, factor D de perturbación, Módulo de elasticidad E y los parámetros geotécnicos necesarios según el criterio generalizado de Hoek & Brown. El registro sísmico utilizado en la etapa dinámica es el medido en roca en la estación sísmica del Centro Sismológico Nacional de la Universidad de Chile, ubicado en el cerro Santa Lucía, el 27 de Febrero del 2010. Se analizan principalmente las deformaciones y los esfuerzos axiales, de corte y momento longitudinales y perpendiculares al eje de los túneles en la estructura de soporte, los cuales se estudian en cada etapa de la secuencia de modelamiento y durante el tiempo que se aplica el registro sísmico. Se concluye, que el efecto dinámico sí debe ser considerado, dependiendo de la calidad de la roca y la profundidad de emplazamiento del túnel. Como comportamiento general en los modelos elaborados, el efecto dinámico afecta en mayor medida a las rocas de calidad mala y en menor medida a las rocas de calidad buena. Además, el efecto dinámico disminuye en la medida que el punto de control en la estructura de sostenimiento se encuentra a mayor profundidad.

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Un anillo de vorticidad es una región de fluido con forma toroidal, dentro de la cual existe vorticidad cuyo vector es tangente al círculo mayor del toro. El anillo, debido al impulso físico que lo produce, posee energía cinética que le permite auto-desplazarse en el espacio en la dirección resultante del producto cruz entre el vector radial del círculo mayor y el vector de vorticidad (tangente). El estudio de los anillos de vorticidad ha sido ampliamente documentado, realizándose investigaciones de estabilidad, transporte y mezcla. El presente trabajo cuenta con el apoyo del proyecto FONDECYT 1085020, el cual estudia el comportamiento de escalares pasivos en campos de velocidad generados por diversas estructuras. La serie de investigaciones desarrolladas en este marco, han abierto nuevas líneas de investigación, dentro de las cuales esta tesis nació del desafío de comprobar experimentalmente, la concentración de turbulencia en una región localizada del espacio, a partir de la interacción de estructuras laminares de bajo costo energético de generación. En esta investigación, se realizaron diversos montajes experimentales tendientes a estudiar la colisión de tres anillos de vorticidad en una configuración de 120° entre sus vectores de velocidad autoinducida. El primero de ellos consta de un sistema de generación triple tipo orificio, donde el campo de velocidad es medido con anemometría de hilo caliente. En una primera etapa se caracterizó un anillo individual, y luego se obtuvo el campo de velocidad durante toda la colisión a través de un barrido en el espacio. Sobre este mismo montaje, se inyectó humo como trazador en cada generador, obteniéndose imágenes CCD de un plano láser proyectado en distintos niveles de la colisión. El segundo montaje constó de un sistema de visualización tipo Shadowgraph, a través del cual se observó el proceso de transporte y mezcla de sustancias escalares, en la colisión de tres anillos de vorticidad en agua. Los experimentos realizados permitieron describir físicamente el fenómeno, gracias a los datos y observaciones cualitativas obtenidas. El campo de velocidad medido con anemometría de hilo caliente, indicó que los anillos de vorticidad tienen una trayectoria estable antes de tener contacto entre sí. Durante y posterior a la colisión, el campo de velocidad tiene pequeñas variaciones reflejadas en la dispersión de las zonas de mayor velocidad. La interacción de dipolos de vorticidad entre los anillos adyacentes, produce eyecciones de fluido observables en el aumento localizado de la velocidad y en la visualización CCD a través de humo. Por otra parte, las series temporales de velocidad permiten obtener un análisis de la densidad espectral de potencia, la cual fue calculada en distintos puntos de interés y para diferentes números de Reynolds. Las curvas de densidad espectral de potencia se desplazan hacia zonas de mayor frecuencia a medida que aumenta el número de Reynolds de los anillos colisionantes, mientras que la forma de estas curvas puede ser explicada a través de las series temporales de velocidad. Las imágenes obtenidas del sistema Shadowgraph permitieron observar con claridad el borde, el núcleo de vórtice y las líneas de flujo de cada anillo de vorticidad. Durante la colisión se observaron los acoplamientos de los dipolos de vorticidad y las eyecciones de fluido que provocan. Las zonas superior e inferior de los anillos interaccionan generando reconexión de los tubos de vorticidad. Producto de la reconexión, son generados nuevos anillos simétricos en dirección vertical, los cuales pudieron ser observados con mayor claridad al repetir el experimento con una sustancia escalar colorante. En síntesis, el trabajo describió con detalle el comportamiento de anillos de vorticidad bajo esta estructura de colisión, encontrando una interesante evolución espacial de la vorticidad y relaciones matemáticas coherentes en el ámbito energético. Para el futuro, surgen nuevas interrogantes como la colisión de más anillos de vorticidad en nuevas configuraciones, y la relación entre la trayectoria de un anillo y su gradiente de densidad con respecto al medio.

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Magíster en Minería / Los bombeos de barro son un ingreso repentino de mineral barro dentro de instalaciones mineras subterráneas. Pueden causar daños a personas y equipos, retrasos de producción, dilución, y cierre de minas. El objetivo de este trabajo es caracterizar a través de ensayos geotécnicos de laboratorio el barro de una mina de block/panel caving para proporcionar razones mecánicas para la falla fluida de este material mientras es extraído. Además se busca desarrollar un método para establecer pautas de decisión y aplicarlas a muestras de barro. Se ha utilizado muestras de mineral proveniente de puntos de extracción cerrados por potencial riesgo de bombeos de barro en la mina Diablo Regimiento, El Teniente, las muestras representan tres tipos de mineral barro presentes en la mina. De la caracterización se obtiene que las muestras tienen tamaños de partícula correspondientes a grava, arena, limo y arcilla, en donde las partículas finas se clasifican como limo y arcilla de baja plasticidad. Las muestras presentan leves diferencias una de otra en cuanto a contenido de finos, densidad y empaquetamiento. La resistencia del mineral a condiciones no confinadas es evaluada variando la densidad y el grado de saturación, esto permite observar que la densidad relativa es la variable más importante que gobierna la resistencia no confinada. Ensayos triaxiales consolidados saturados muestran una relación lineal entre la resistencia deviatórica y el esfuerzo confinante efectivo, esta relación es encontrada para las muestras evaluadas. La resistencia deviatórica se relaciona con la capacidad de fluir ante condiciones triaxiales, en consecuencia podría estar relacionado con los bombeos de barro. Ensayos triaxiales no consolidados saturados muestran una baja resistencia deviatórica máxima muy baja, seguida de licuación estática, lo que resulta en valores de resistencia residual cercanos a cero. Llevados a la minería estos resultados se relacionan con la tasa de extracción y las condiciones de saturación: Una alta tasa de extracción puede generar condiciones no consolidadas, haciendo que la resistencia del mineral tenga valores cercanos a cero, mientras que una baja tasa de extracción generaría condiciones consolidadas, en donde el mineral puede expulsar la presión de poros y tener mayor resistencia. Si el mineral se encuentra en condiciones no saturadas presenta un riesgo menor, ya que desarrolla incluso resistencia uniaxial. El cono de Abrams se utiliza para desarrollar ensayos de asentamiento a muestras de barro y caracterizar la consistencia del mineral ante distintas condiciones de saturación y densidad. La resistencia no confinada también se evalúa para distintas condiciones de saturación y densidad. Estos resultados permiten establecer una relación entre la consistencia y la resistencia no confinada: las condiciones para una consistencia fluida en el cono de Abrams son las mismas que generan una baja resistencia no confinada. También se encontró el contenido de humedad al cual cada muestra cambia su consistencia de plástica a suave de acuerdo a los ensayos de asentamiento. Estos valores fluctúan de 12.2% a 16.9% de humedad dependiendo de la muestra. Finalmente se define un factor de seguridad a la fluidez para diseñar una pauta de extracción basada en humedad a las muestras evaluadas. Se concluye que un mineral altamente compactado no tiende a fluir, además las propiedades fluidas del mineral dependen fuertemente de las propiedades específicas de cada tipo de mineral, en consecuencia un criterio específico debe ser desarrollado para cada tipo de mineral en una misma mina.

Esta investigación busca validar el trabajo realizado por el Ingeniero Roberto Michelena, obteniendo la ecuación de correlación para suelos cohesivos haciendo uso de estudios de suelos realizados por una empresa diferente a la suya. Esta abarca un tema en particular en el Perú sobre el uso de una correlación para suelos cohesivos, para la cual no se han realizado investigaciones adicionales tras la propuesta por el ingeniero Roberto Michelena. Para realizar esta investigación, de manera cabal, se establecen cuatro capítulos clave para el desarrollo de la misma: El primer capítulo, Metodología de Investigación, plasma el tipo de investigación, enfoque y la selección de la muestra para desarrollar la investigación de manera ordenada y con resultados relevantes. El segundo capítulo, Marco Teórico, contempla los procedimientos de los ensayos in-situ a los que hace referencia esta investigación y los conocimientos necesarios de estadística para el entendimiento de la misma. El tercer capítulo, Análisis y Levantamiento de la información, cómpren la de todos los estudios representativos en los que se haya realizado ensayos de penetración estándar (SPT) y cono de Peck, para luego seleccionar los estudios que nos servirán para el desarrollo de la estadística.El cuarto capítulo, Aplicación de la metodología estadística, consiste en hacer uso de los conocimientos estadísticos descritos en el segundo capítulo para cumplir la finalidad de la tesis. Finalmente, se presentan dos capítulos: Conclusiones, para obtener un análisis general de la investigación; y Recomendaciones, para seguir fomentando la investigación de la correlación entre el ensayo de penetración estándar (SPT) y el Cono de Peck en suelos cohesivos. / This research seeks to validate the work done by the engineer Roberto Michelena, obtaining the correlation equation for cohesive soils making use of studies of soils made by a company different from his own. This covers a particular issue in Peru on the use of a correlation for cohesive soils, for which no additional research has been carried out following the proposal by the engineer Roberto Michelena. To carry out this research, fully, four key chapters are established for the development of the same: The first chapter, Research Methodology, shapes the type of research, approach and selection of the sample to develop research in an orderly manner and with relevant results. The second chapter, Theoretical Framework, contemplates the procedures of the in-situ tests to which this research refers and the necessary knowledge of statistics for the understanding of the same. The third chapter, Analysis and Survey of the information, take the one of all the representative studies in which the standard penetration tests (SPT) and cone of Peck have been carried out, to then select the studies that will be useful for the development of the statistic. The fourth chapter, Application of statistical methodology, is to make use of the statistical knowledge described in the second chapter to fulfill the purpose of the thesis. Finally, two chapters are presented: Conclusions, to obtain a general analysis of the research; And Recommendations to further promote the investigation of the correlation between the standard penetration test (SPT) and the Peck Cone in cohesive soils.

El refuerzo longitudinal dentro de elementos de hormigón armado puede ser solicitado en compresión a niveles que lo lleven a la falla, comúnmente por del pandeo de las barras. Las observaciones experimentales de este fenómeno muestran que el pandeo puede producirse en longitud igual a la separación de refuerzo transversal (pandeo local de refuerzo) o incluso alcanzar una longitud mayor, deformando los estribos dentro del tramo involucrado (pandeo global de refuerzo). El objetivo del presente trabajo es representar el comportamiento del refuerzo longitudinal en compresión monotónica considerando el caso de pandeo global, introduciendo el efecto del refuerzo transversal en el análisis. Con estos fines se adapta el modelo existente de Massone & Moroder (2009) modificado por Lacaze (2009) que concentra la curvatura en el giro de 4 rótulas plásticas y reproduce la curva σ-ε de una barra en pandeo local. La adaptación realizada consiste en introducir las fuerzas asociadas al refuerzo transversal dentro de la longitud de pandeo. Los estudios sobre el tema indican que la inclusión de los estribos debe ir acompañada por el efecto que la expansión del núcleo de hormigón tiene sobre ellos, para no sobreestimar su rigidez. Luego se requiere: (1) modelar la expansión del hormigón que efectivamente afecta a los estribos, lo cual se realiza considerando el modelo de Pantazopoulou (1998) ajustada a mediciones experimentales de la literatura; y (2) modelar la forma en que afectan las fuerzas de los estribos a la barra, para lo cual se considera que parte de la fuerza se transfiere directamente al núcleo de hormigón en expansión y el resto es equilibrado por esfuerzos internos en la barra. Para determinar el largo de pandeo de la barra se evalúa su comportamiento para modos de falla de 1 a 10 (donde el modo "i" considera una longitud igual a “i” veces el espaciamientos de estribo, incluyendo en el análisis los “i-1" estribos dentro del largo) y se elige aquel modo que entrega el menor máximo de tensiones. Este criterio para seleccionar el modo de pandeo es consistente con el criterio de carga crítica de pandeo ampliamente usado. El modelo propuesto es validado por el modo de pandeo que reproduce comparándolo con los resultados obtenidos en otros modelos y observaciones experimentales presentes en la literatura. Los errores en la predicción del modo son comparables a los del modelo de Dhakal & Maekawa (2002), permitiendo además, obtener la curva σ-ε para la barra en pandeo global. Los resultados obtenidos tienden a estar ligeramente bajo los observados, mostrando una tendencia a entregar modos de pandeo impares y no capturar de buena forma los casos donde el refuerzo longitudinal es de acero de alta resistencia. El promedio de error en la predicción del modo es de -0.59, el cual es un valor razonablemente bueno considerando que la batería de ensayos utilizada abarca modos de falla observados de 1 a 8.