Compliant mechanisms with flexure hinges represent a defining element of many precision devices in various fields of science and technology. Due to their importance, the ability of modeling their behavior with high precision represents the key for a further enhancement of their performance. The present scientific work contributes to the experimental verification of distinct mechanical models for thin semicircular flexure hinges. For this purpose an experimental setup for the load application on the hinge has been developed, designed and set up. The device is designed to precisely determine the rotational stiffness of thin flexure hinges in their elastic range with a minimal notch height of 50, 75 and 100 ➭m, but can be applied in a wider context in other applications as well. Two sets of hinges were analyzed, both manufactured by wire EDM in different companies. Although both sets were made with the same geometric dimensions, pronounced differences in their stiffness were measured. It is demonstrated that manufacturing has a large impact on the stiffness of the hinges because it affects the resulting geometry in the microscopic scale. The experimental results for one of the hinge sets are in good agreement with the calculations using the finite element method. Further research is required to confirm this trend. This would provide solid evidence for the invalidity of existing analytical stiffness equations for flexure hinges in the considered thickness range. / Tesis

En el Laboratorio de Materiales de la Pontificia Universidad Católica del Perú (PUCP) se vienen brindando servicios a la industria desde 1973. Actualmente el Laboratorio de Materiales de la PUCP cuenta con un prestigio ganado a lo largo de su trayectoria y brinda los servicios de los ensayos no destructivos como: Inspección Visual, Líquidos penetrantes, Partículas Magnéticas, Radiografía Industrial y Ultrasonido a las empresas más importantes del medio. En las empresas de rubro alimentario, en especial la empresa Backus tiene la necesidad de supervisar que las juntas soldadas de las tuberías de acero inoxidable, por donde se transporta miles de litros de cerveza, se encuentren bien elaboradas. Es cierto que mediante el uso de la radiografía industr ial se puede corroborar la sanidad de la junta soldada, pero lo que no detecta la radiografía es la posible oxidación (carbonización), que puede presentarse cuando no se realiza un aislamiento adecuado de argón al interior de la tubería antes de proceder a soldar, pero con el Videoscopio Lenox, del laboratorio de materiales de la PUCP, mediante la inspección visual remota si se puede hacer, pero no existe una metodología para la inspección por medio de este equipo. El presente trabajo de tesis tiene como objetivo desarrollar una metodología para inspeccionar visualmente las juntas soldadas de tuberías de acero inoxidable mayores a 4" de diámetro y con espesores hasta 3mm, empleando el Videoscopio Lenox modelo PVS. Para conseguir el objetivo planteado, la tesis detalla los criterios de aceptación y rechazo de uniones soldadas en tuberías de acero inoxidable, que nos servirá para elaborar las imágenes patrones de discontinuidades no permitidas por el código AWS D18.1. Se preparó 02 prototipos, uno para realizar el so Ideo sin purga con gas argón, el cual permitirá capturar la imagen patrón de la oxidación en una unión soldada al interior de la tubería y el segundo prototipo para realizar el soldeo con previa purga de gas argón, el cual permitirá demostrar que es indispensable purgar las tuberías de acero inoxidable para garantizar la sanidad de la junta soldada, a pesar que sea costoso por el número de metros de tubería que normalmente tienen las empresas de rubro alimentario. Se detalla las características técnicas de cada equipo que conforman el Videoscopio Lenox modelo PVS, así como sus partes más importantes, que permitirá familiarizarse con el equipo antes de usarlo. Finalmente se elabora el procedimiento para el uso del Videoscopio Lenox modelo PVS en la inspección visual remota para tuberías de acero inoxidable mayores a 4" de diámetro y con espesores hasta 3mm y se elaboran las imágenes patrones de discontin uidades no permitidas por el código AWS D18.1 haciendo uso de los prototipos preparados. / Tesis

El presente trabajo se estableció diferencias significativas en características y propiedades que existe entre uniones soldadas con ambos aportes. Las uniones obtenidas con el aporte ER4043, debido a su contenido de Si (5%), presentan una serie de características que lo hacen muy apreciado por los soldadores debido a que las uniones presentan mejor acabado superficial, mayor penetración, siendo más fácil su empleo durante la operación de soldeo, sin embargo, los inconvenientes que se pueden presentar es que se puede originar perforaciones en las planchas de aluminio de bajo espesor, además, que el cordón de soldadura presentará un color ligeramente más oscuro. Las uniones obtenidas con el aporte ER5356 presenta más salpicaduras, y se genera una gran cantidad de gases durante el proceso de soldeo debido al alto contenido de Mg (5%) que contiene, por lo que, se debe tener cuidado durante su empleo, este aporte una vez depositado, es más resistente que el ER4043, además de poderlo emplear para soldeo de materiales delgados. Los resultados encontrados en la presente investigación servirán de guía para seleccionar el aporte más conveniente entre estos dos materiales. / Tesis

En el presente trabajo se evaluó la especificación de procedimiento de soldadura para la unión disímil entre una brida y una tubería de materiales API 5L X70 PSL1 y ASTM A707 L5 F65 (no homologado por ASME) respectivamente, ambas de 24 pulgadas de diámetro y 21.5 milímetros de espesor. Los procesos de soldadura empleados fueron GTAW y SMAW, el primero para el pase de raíz y el segundo para los pases de relleno. El objetivo general de la tesis es el de calificar el procedimiento de soldadura para la unión entre la brida y la tubería antes mencionadas, con la finalidad de asegurar su implementación en el sistema de transporte de gas natural por ductos. La caracterización de los materiales base se realizó a través de ensayos de análisis químico y de tracción. El análisis químico reveló que el acero ASTM A707 L5 F65 presenta variaciones con respecto a la composición química nominal del acero ASTM A707 L5 Cl4, particularmente, en los porcentajes en peso de manganeso y molibdeno. Asimismo, se realizaron ensayos de calificación del procedimiento de soldadura. Del cupón soldado se extrajeron dos probetas para ensayos de tracción, cuatro probetas para ensayos de doblez lateral y nueve probetas para ensayos de impacto. En los ensayos de tracción la fractura se presentó en el material base y los esfuerzos máximos obtenidos fueron ligeramente mayores al esfuerzo de tracción de la junta soldada, los ensayos de doblado no revelaron defectos relevantes y en los ensayos de impacto los valores de energía absorbida por el material fueron mayores al mínimo establecido por la especificación técnica API 5L. Por otro lado, se realizaron ensayos de inspección visual y de macrografía, los cuales no revelaron discontinuidades en el cordón que afectaran la calidad del mismo. Sobre la base de los resultados obtenidos se concluyó que, según lo estipulado en el código ASME sección IX, el procedimiento de soldadura propuesto se encuentra calificado y, por consiguiente, la ejecución del cordón de soldadura entre la brida y la tubería mencionadas debe realizarse en función de dicho procedimiento. / Tesis

The present master thesis is dealing with the influence of workpiece temperature in the process loads, generated during the FSW process. The investigation is focused on welding of the magnesium alloy AZ31. To affect the initial temperature of the joining members, two different methods are investigated. by using a laser, the material is heated and soften local direct in front of the welding tool. In contrast, a heating element, located beneath the workpieces, enable the heating of a laser area. The consequences of both methods are regarded and compared in the investigation. In addition, the comparison to the conventional welding process is made. Thereby, main aspects are the rached load levels as well as surface appearance and tensile properties. the successfully reduction of process forces is obtained for both procedures; however, the tensile properties got worse. / Das Anliegen dieser Arbeit ist es, den Einfluss der Ausgangstemperatur der zu fügenden Teile auf die für den Rührreibprozess charakteristischen Belastungen zu erarbeiten. Fokus der Untersuchungen lag dabei auf dem Fügen der Magnesiumbasislegierung AZ31. Die Erhöhung der Grundtemperatur der Werkstoffe wurde dabei auf zwei unterschiedliche Weisen erzeugt. Zum einen das lokale aufwärmen und Erweichen der Fügepartner, welches durch den Einsatz eines Lasers erreicht wurde, der direkt vor dem Schweißwerkzeug angebracht war. Die andere Methode beinhaltete das Einsetzen eines Heizelementes unter den Werkstoffen. Dadurch wurde eine gleichmäßige Erwärmung über die gesamte Fläche erreicht. Im Verlauf der Untersuchung wurden die Ergebnisse beider Methoden betrachtet und hinsichtlich der Prozesskräfte sowie Oberflächenbeschaffenheit und Festigkeitseigenschaften verglichen. Dazu wurden auch Schweißungen des konventionellen Rührreibschweißverfahrens herangezogen. Als Ergebnis konnte eine deutliche Verringerung der Prozesskräfte für beide Verfahren festgestellt werden. Allerdings war eine Verschlechterung der Festigkeitswerte zu beobachten. / Tesis

Ingeniera Civil / Este trabajo de título estudia de forma experimental el comportamiento de uniones viga-columna de marco rígido en acero a escala real, bajo condiciones de carga cíclica. El tipo de conexión utilizada para materializar dicha unión es la llamada DST (Double Split Tee), que corresponde a una conexión apernada parcialmente rígida. Ésta fue propuesta por FEMA en el año 2000 en el marco de la investigación llevada a cabo por el SAC Steel Project sobre conexiones de momento, después de las fallas frágiles que éstas experimentaron durante el terremoto de Northridge de 1994, EEUU. La conexión DST consiste en un par de perfiles T, o T-stubs, que conectan mediante pernos ambas alas de la viga con el ala de la columna. Su proceso de precalificación se llevó a cabo para T-stubs elaborados a partir de secciones laminadas, cuya disponibilidad es aún limitada en varios países, incluyendo Chile, y cuyo rango de relación de espesores entre alma y alas es acotado. Estas razones conllevaron a estudiar el uso de perfiles T soldados como una alternativa en la conexión DST, considerando que brindan una mayor libertad de dimensionamiento y un mayor aprovechamiento de material. Se ensayaron tres uniones viga-columna utilizando T-stubs soldados, cuyo diseño tuvo como énfasis lograr un comportamiento dúctil, estable, y que permitiera determinar su capacidad sísmica. Las fallas inducidas en estos especímenes fueron: (a) plastificación en la conexión y (b) formación de rótulas plásticas en la viga. Durante los ensayos, los especímenes se comportaron según lo pronosticado, presentando la respuesta dúctil esperada y sin daño en las soldaduras de los T-stubs, validando el uso de las recomendaciones de diseño actuales para este tipo de conexión cuando se utilizan perfiles T soldados. Los datos registrados indican que el efecto de apalancamiento experimentado por las alas de los T-stubs y el desarrollo de rótulas plásticas en las vigas son los mecanismos de falla que más contribuyen a la disipación de energía en la conexión. Finalmente, los tres especímenes cumplen con los requerimientos de resistencia para marcos rígidos especiales (SMF), debido a que fueron capaces de sostener una deformación angular entre piso de 0,04 radianes y de alcanzar una resistencia superior a un 80% del momento plástico de la viga para esa deformación. Esta investigación se realizó gracias al financiamiento otorgado por el proyecto FONDECYT N° 1140628.

Debido a los fenómenos térmicos que se generan durante el proceso de soldadura, las partes soldadas de acero, al enfriarse, generan esfuerzos internos de tracción o compresión que afectan sus dimensiones, sus propiedades mecánicas, e incluso forman fisuras que ponen en riesgo la vida útil de una estructura metálica, sobre todo cuando ésta se encuentra sometida a cargas cíclicas. El método utilizado con mayor frecuencia para mitigar dichos esfuerzos residuales es el tratamiento térmico de alivio de tensiones, sin embargo existen otros métodos mecánicos que persiguen el mismo efecto, algunos de los cuales se basan en la inducción de vibraciones mecánicas. Esta investigación tiene por objeto medir la magnitud en la que se reducen los esfuerzos residuales post soldadura mediante el proceso de alivio de tensiones por vibraciones a frecuencias subarmónicas y contrastarla contra la reducción producida por efecto de la aplicación del tratamiento térmico de alivio de tensiones. El método utilizado en esta tesis para cuantificar la reducción en la magnitud de los esfuerzos residuales incluyó la medición de tensiones residuales mediante la técnica de difracción de rayos X (DRX). Las mediciones fueron realizadas en dos probetas idénticas sometidas al mismo proceso de soldadura en puntos cercanos a la unión soldada, y el resultado experimental reportó una reducción en la magnitud de los esfuerzos residuales longitudinales de tracción de hasta 85% en la probeta sometida al tratamiento térmico de alivio de tensiones; mientras que las mediciones fueron mixtas en el caso de la probeta sometida al proceso de alivio por vibraciones subarmónicas, pues en algunos puntos de ella no se reportaron reducciones significativas mientras que en otros se evidenció una reducción de esfuerzos residuales de hasta 45%. / Tesis

Ingeniero Civil / La naturaleza del proceso constructivo, que normalmente presenta discontinuidades, obliga a contemplar la eventual materialización de juntas frías de hormigonado como singularidades dentro de las estructuras. Los últimos eventos sísmicos han evidenciado la importancia de una correcta ejecución y localización de éstas para que no se transformen en planos de falla. En la búsqueda de una mayor eficiencia en la construcción y de una mejor transferencia de esfuerzos en el plano de la junta, es que se ha recurrido a diversas formas de materializar las juntas. Dependiendo del tratamiento utilizado se puede optimizar la eficiencia en cuanto a tiempo de ejecución y la consiguiente resistencia al corte y tracción en el plano de unión de los hormigones. En distintas obras de Chile y Europa se ha utilizado nuevos tipos de tratamientos de superficie, los que han sido avalados por distintos estudios. El objetivo del presente Trabajo de Título es estudiar la resistencia al corte y permeabilidad de juntas frías de hormigonado cuando se utiliza una doble malla metálica galvanizada, del tipo hexagonal con aberturas de 19 [mm], como elemento contenedor del escurrimiento en el plano de interrupción del hormigonado, manteniendo el plano regular con una textura adecuada para recibir el hormigón de la segunda etapa. Para esto, se construyeron prismas rectangulares de 20 [cm] x 20 [cm] de sección y 80 [cm] de altura, con una junta de hormigonado que forma un plano oblicuo, generando un ángulo de 27° con respecto a la arista mayor. La efectividad de los distintos tratamientos se evaluó comparando la resistencia al corte en el ensayo de compresión (Slant Shear Test) y la permeabilidad en el plano de la junta. Obteniendo una resistencia al corte promedio para la junta materializada con doble malla metálica de un 104% de la alcanzada para el prisma considerado como patrón, donde se simuló la reparación de una grieta como un plano de fractura obtenido por hendimiento, se concluyó que el factor fundamental para asegurar la estanqueidad y monolitismo a través del plano de la junta es la rugosidad lograda en la superficie de contacto. Además se confirmó que la utilización de la doble malla metálica para materializar las juntas frías de hormigonado, es una solución constructiva viable.

Ingeniero Civil / Las uniones viga-columna se utilizan en estructuras tipo marco y cumplen la función de entregar continuidad a la estructura, además de transferir esfuerzos de corte y momento de un elemento estructural a otro. Para estimar la capacidad al corte de una unión, se implementa un modelo analítico que se basa en una formulación simple, que considera un estado de tensiones y deformaciones promedio de un panel de hormigón armado que representa a la unión. Supone que la dirección principal de tensiones del elemento panel coincide con la dirección principal de deformaciones, lo que permite considerar la degradación de la resistencia a compresión del hormigón debido a los esfuerzos y deformación de tracción producidos en la dirección perpendicular. El acero de refuerzo presenta un comportamiento uniaxial elasto-plástico perfecto. Además se fija el ángulo de la direcciones principales cuando el hormigón alcanza su máxima resistencia a la tracción (α[σ_r=f_ct]) ]), originando el modelo ángulo fijo por Ulloa (2013). Por último, el modelo satisface el equilibrio en la dirección longitudinal mediante la relación σ_L=N/A. Con el objetivo de analizar el comportamiento del modelo, se compara los resultados entregados con una base de datos, integrada por 92 ensayos a uniones viga-columna de tipo exterior e interior. Notando que el modelo no considera el efecto de confinamiento producto de los elementos adyacentes a la conexión, este efecto se introduce a través de unos factores (λ_L y λ_t) que reducen los valores de las expansiones longitudinales y transversales utilizadas para calibrar el ángulo de falla, generando así una nueva expresión para calcular dicho ángulo. Implementándolos y considerando la contribución de la armadura de borde desarrollada por Álvarez (2015), se obtiene una buena estimación para uniones exteriores (promedio de la relación Vmodelo/Vensayo 0.97 y dispersión 0.19) e interiores, presentando un promedio de 0.91 y dispersión 0.18. Además, el modelo logra captar correctamente la variación de los parámetros de la unión, salvo la relación de aspecto y el nivel de confinamiento de las vigas para las uniones interiores. Al comparar con otros modelos de la literatura, se observa que el modelo creado por Wang et al. (2012), presenta mejores resultados, observándose que la diferencia radica en que el modelo desarrollado en este trabajo no estima correctamente los casos sin carga axial. Finalmente, se presenta una síntesis del modelo para ser aplicado a muros cortos, vigas altas, ménsulas y uniones viga-columna de hormigón armado, presentando correctas predicciones para cada uno de estos elementos, con promedios de la relación Vmodelo/Vensayo cercanos a la unidad y bajas dispersiones para ménsulas y uniones (0.16 y 0.19) y medianamente altas, pero consideradas aceptables, para muros cortos y vigas (0.25 para cada uno).

Magíster en Ciencias de la Ingeniería, Mención Ingeniería Sísmica / Ingeniería Civil / La presente investigación corresponde a un estudio analítico y experimental de perfiles T soldados sometidos a cargas cíclicas, con el objetivo principal, de precalificar su utilización en conexiones de momento del tipo doble T soldadas, para estructuras sismorresistentes. Se generan tambi´en, recomendaciones de dise no para la conexión, a partir del uso de las actuales normas para conexiones del tipo doble T compuestas de perfiles laminados (DST). La primera parte corresponde a una revisión bibliogr´afica. Con esta se ha construido un marco teórico que permite entender el comportamiento de la conexión completa a partir del estudio del perfil T en forma aislada. Una vez determinados los posibles modos de falla que controlan el comportamiento de los perfiles T soldados, se ha dise nado una serie de 20 probetas con 5 posibles modos de falla teóricos. Esta serie, denominada TSM ser´a estudiada en esta investigación de forma analítica mediante la construcción de un modelo de elementos finitos y luego experimentalmente a trav´es de ensayos. La segunda parte es la construcción de un modelo computacional de elementos finitos con el software ANSYS en su versión 12.1. Corresponde a un modelo 3D, este considera las no linealidades de los materiales y discontinuidades geom´etricas. La primera calibración del modelo se realizó con los resultados de una serie de ensayos monotónicos realizados, previos a esta tesis. La tercera parte es el dise no, construcción y calibración del marco experimental. En este, se han desarrollado los ensayos de perfiles T soldados de la serie TSM bajo un protocolo est´andar de carga cíclica. Los detalles de este esquema y sus componentes principales se presentan en datalle en el cuerpo de esta tesis. La cuarta parte es el estudio de la respuesta cíclica de los perfiles mediante el modelo de elementos finitos. Reproduciendo la mayoría de las condiciones de los ensayos experimentales realizados, se ha podido comparar posteriormente ambos resultados, y ´estos a su vez, respecto de lo determinado seg´un las normas consideradas para el dise no inicial de las probetas. Se determinó que el desempe no de los perfiles T soldados es homologable a su par de confección laminado. La soldadura, correctamente materializada no presenta problemas bajo ciclos de carga. El ala del perfil T soldado es la que m´as contribuye a la deformación y resistencia ´ultima. Se recomienda, para el dise no, la utilización de relaciones de espesor ala - alma cercanas a 1.25 pues permite la deformación del ala sin alcanzar la fluencia de los pernos a tracción y paralelamente, pemite desarrollar la fluencia del alma. Esta combinación es la m´as recomendada considerando rigidez, deformación y capacidad del perfil; de acuerdo a la filosofía sismorresistente y sus criterios de ductilidad. Finalmente, se presentan recomendaciones de futuras investigaciones a escala real a partir de los aportes y limiticaciones del presente trabajo.