El uso de explosivos en procesos de voladura en minas libera energía en forma de vibraciones, que no necesariamente ayudan en la fragmentación de la roca, sino que originan una perturbación de estructuras cercanas a la fuente de la explosión, principalmente a través de ondas sísmicas en todas las direcciones. Durante la vida de una operación minera a tajo abierto, la mayoría de sus componentes como el tajo principal, las plataformas de descarga y de lixiviación deben alcanzar una estabilidad física, especialmente cuando inicia su proceso de cierre. La presente investigación tiene como objetivo desarrollar un modelo de predicción de las vibraciones inducidas utilizando datos históricos de monitoreo en una mina a cielo abierto ubicada en la sierra peruana, esto con el fin de proteger los taludes de diseño final (Campo Medio) y las edificaciones sensibles de los poblados más cercanos (Campo Lejano). Ambos modelos están basados en la teoría de Devine de la distancia escalada de raíz cuadrada (SRSD) para predecir la velocidad máxima de partículas (VPP). Las distancias de monitoreo en campo medio oscilan entre 30 y 150 metros, las estructuras en este intervalo deben ser atendidas por los criterios de falla de Cameron McKenzie, que se basan en las propiedades geomecánicas del macizo rocoso y la velocidad de propagación de la onda P (Vp) combinadas a través de la Ley de Hooke. Para el campo lejano se tienen distancias desde los 150 hasta los 1000 metros, por lo que se ha optado por utilizar la norma alemana DIN 4150. El valor límite utilizado fue de 3 mm/s para frecuencias bajas en estructuras muy sensibles. La metodología consistió en la reducción de registros en base a estándares operativos, seguido de una discriminación por métodos de estadística robusta y regresión lineal. De esta manera se obtuvieron, en ambos escenarios, ábacos de distribución de cargas para predecir la VPP a una determinada distancia, que permite junto a los criterios establecidos previamente, limitar los explosivos para un mejor cuidado de estructuras. / The use of explosives on mining blasting processes release energy in form of vibrations, that are not useful for the rock fragmentation but to disturb the near structures near the blasting source, those are released on every direction through seismic waves. During the operational life of an open pit mine, most of its components such as the dumping platforms, leaching PADs and the pit itself have to reach a physic stability and with special care during the closure process. The main objective of the following thesis is to develop a vibrations prediction model using historical monitoring data of an open pit mining operation located on the Peruvian highlands, in order to protect the final design slopes (Medium Field) and the sensible constructions of the closest villages (Far Field). Both models are based on the Square Root Scaled Distance (SRSD) of Devine´s theory to predict the Peak Particle Velocity (PPV). Medium Field monitoring distances oscillates between 30 and 150 meters, and the structures from this range must be analyzed through the Failure Criteria of Cameron McKenzie, which is based on the rock mass geo mechanical properties and the P wave propagation speed combined with the Hooke´s Law. For the Far Field, the distances ranges from 150 to 1000 meters, therefore it was chosen to use the German rule DIN 4150. The limit value was of 3 mm/s for low frequencies over highly sensible structures. The methodology consisted on the reduction of measurement records according to operational standards, followed by the statistical discrimination and the lineal regression model. In this way, over the two scenarios it was obtained charge distribution abacus to predict the PPV for any distance, which allows together with the previous described criteria, limit the explosives to protect the structures.

El Perú posee una cantidad invaluable de monumentos históricos que son vulnerables a altos niveles de actividad sísmica. En cuanto a su conservación, la mayor parte del esfuerzo de restauración gira entorno a daños visualmente detectables como, por ejemplo, trabajos de resanación estética. Estos esfuerzos resultan insuficientes para asegurar la integridad estructural del monumento a largo plazo. Por otro lado, el monitoreo de salud estructural es un método no invasivo que utiliza sensores de aceleración junto con algoritmos de análisis modal para obtener y analizar los parámetros dinámicos de una estructura y detectar daños a lo largo del tiempo. La primera parte de la presente tesis se basa en la implementación de una estación remota de monitoreo de salud estructural (MSE) en la Iglesia San Juan Bautista de Huaro en Cusco, junto con integrantes del grupo de investigación “Ingeniería y Patrimonio PUCP” y bajo el financiamiento de FONDECYT (Proyecto - ID 349/316 - 222-2015). La implementación, consta de tres etapas principales: i) Adquisición/Centralización de los datos de aceleración, ii) Procesamiento/Almacenamiento para obtener los parámetros dinámicos, y iii) Visualización de los resultados desde cualquier dispositivo con acceso de internet. El último punto se presenta con mayor detalle por ser la tarea específica designada. Para ello, se configuró un servidor web de “Amazon Web Services” para alojar los parámetros dinámicos en una base de datos y graficarlos en una plataforma web. De esta manera, se logró compartir diez meses de información de monitoreo con la comunidad científica en el congreso internacional de análisis estructural SAHC 2018. Además, en base a los incidentes más trascendentales durante la operación del sistema completo de MSE, se proponen recomendaciones para implementaciones futuras. La segunda parte de la tesis es el diseño e implementación de un nodo sensorial de aceleración como herramienta alternativa para aplicaciones de MSE con el uso de redes inalámbricas de sensores. En base a la experiencia ganada en la primera etapa del trabajo y una revisión exhaustiva del estado del arte, se determinaron los requisitos y seleccionaron los componentes electrónicos necesarios para el diseño e implementación del nodo sensorial inalámbrico. Se programó un microcontrolador MSP432 con ADC de 14 bits para adquirir y procesar las señales de un micro acelerómetro analógico LIS344ALH, y se empleó un transmisor RF Xbee S2C para la comunicación inalámbrica. Algunos de los resultados del diseño e implementación del nodo son: i) Adquisición de señales de aceleración con una resolución máxima de 1 mg gracias al diseño propio de una tarjeta de acondicionamiento de señales, ii) Identificación local de las frecuencias fundamentales de vibración asociadas a la señal de ingreso mediante el procesamiento de la FFT en el nodo sensorial, y iii) Comunicación inalámbrica efectiva de los datos de aceleración hasta una distancia de 30 metros.

Los efectos de sitio pueden aumentar los efectos dañinos producidos por los sismos, tal como se ha mostrado en eventos pasados. Para estudiar este efecto, se vienen utilizado técnicas para la medición y análisis de registros de vibración ambiental que se han difundido ampliamente debido a su eficiencia y bajo costo. Este trabajo presenta dos métodos de vibración ambiental utilizados en la caracterización de efectos de sitio: el método de Autocorrelación Espacial (SPAC) y el Cociente Espectral Empírico o H/V. En primer lugar, se describen el marco teórico, la formulación, las herramientas y el procedimiento de ambos métodos. Luego se realizan mediciones de vibraciones ambientales en cuatro puntos del campus de la PUCP con instrumentos portátiles (sismómetros). Estas señales son procesadas con el método de H/V para obtener la función de transferencia del sitio y estimar el periodo predominante del suelo. Uno de los puntos de registro se ubicó en la estación sísmica PUCP “Hipólito Unanue”. Los resultados empíricos obtenidos mediante el análisis de registros de vibración ambiental en esta estación fueron corroborados con resultados teóricos y empíricos a partir del procesamiento de registros sísmicos. La función de transferencia teórica se obtuvo con el método de Haskell-Thompson a partir de un modelo lineal del perfil del suelo proveniente de estudios previos. Se utilizaron los métodos de Razón Espectral Estándar (SSR), Cociente espectral H/V para estimar funciones de transferencia empíricas a partir del análisis de registros de movimientos sísmicos. Las funciones de transferencia obtenidas tanto con registros de vibración ambiental y con registros sísmicos coincidieron que el suelo amplifica las ondas sísmicas provenientes del basamento para los periodos ubicados en el rango entre 0.5 y 1 segundos. Se concluye que no existe un efecto de sitio importante, pues en este rango de periodos las seudoaceleraciones sísmicas provenientes del basamento son muy bajas con respecto a las seudoaceleraciones de periodos menores que 0.5 segundos.

Debido al constante crecimiento industrial, el campo de las maquinarias comprende equipos cada vez más potentes y robustos. A pesar de esta notable mejora, se suele dejar de lado el estado de los mecanismos de seguridad de estas máquinas como lo es su cimentación, que puede ir deteriorándose producto de las vibraciones que se presentan. Sin previo aviso, el motor industrial podría entrar en el fenómeno de resonancia en el cual las vibraciones son muy elevadas y las fuerzas que producen son suficientemente poderosas para colapsar la cimentación y poner en riesgo la vida de ingenieros, operarios o cualquier persona en la zona de operación. El presente trabajo de tesis se basa en el diseño e implementación de un sistema electrónico de medición de las vibraciones mecánicas producidas por la resonancia. Para ello, se cuenta con un módulo mecánico de transmisibilidad que simula el comportamiento de un sistema en resonancia. El módulo cuenta con un motor eléctrico controlado manualmente por un variador de velocidad, un juego de engranajes con masas desbalanceadas y resortes que permiten apreciar las vibraciones producidas con mayor claridad. Para el análisis de la transmisibilidad del sistema y el efecto de la resonancia en la cimentación, es necesario conocer tres magnitudes importantes: la fuerza transmitida a los soportes del módulo, la aceleración que éste experimenta y la velocidad de giro que posee el motor en ese momento. Por lo tanto, se emplearon sensores que nos permitieran determinar estas variables; entre ellos tenemos celdas de carga (sensores de fuerza), un acelerómetro digital (sensor de aceleración) y un sensor óptico (sensor de detección de flancos). Una vez realizado su montaje, se obtuvieron una cantidad considerable de muestras que eran enviadas a una etapa de control, manejada por un ATmega8L, para ser posteriormente enviadas a una PC. Sin embargo, cada magnitud sensada requirió de un acondicionamiento antes de ser llevadas a la etapa de control. La señal de fuerza presentaba mucha distorsión debido al ruido producido por el motor del módulo principalmente, por lo que fue necesario filtrarla de estas impurezas. La señal de aceleración poseía un nivel de voltaje menor al ATmega8L, por lo tanto necesitaba una adaptación de niveles de voltaje para que no sufriera daños. Cuando se reciben todas las muestras, se procesa la información mediante una interfaz gráfica, desarrollada en MATLAB. Con este equipo, se podrá analizar al detalle las vibraciones presentes en el módulo didáctico y tal vez, llevarlo más adelante al campo industrial.

En el presente trabajo, se estudian los efectos de diferentes fenómenos físicos sobre las frecuencias naturales de un agitador 4PBT45 (modificado en estudios preliminares para obtener un bajo consumo de potencia y alto grado de mezcla) utilizando la herramienta de simulación computacional ANSYS Mechanical, a partir de escenarios simplificados en diferentes condiciones de operación. El proyecto comienza con el análisis de los álabes aislados, para luego estudiar el comportamiento del impulsor por separado y verificar qué sucede con los modos de vibración. Se realiza la simplificación del impulsor a un rotor axisimétrico, con la misma masa y momento de inercia polar, para comparar los efectos en contraste con el agitador original, a través de escenarios estáticos y dinámicos en vacío de cada uno de los modelos. Además, se realiza el modelamiento numérico del agitador estático sumergido y se prueban diferentes propiedades de fluidos. Prácticamente, las variables que se monitorean son: cómo gobiernan las frecuencias locales de los álabes sobre el impulsor, en base al factor de participación de masa; cuáles modos de vibración se ven afectados por la rotación en vacío y cuánto varían las frecuencias debido a dicho fenómeno y por qué; cuán factible es reemplazar el impulsor por un disco y en qué casos da buenos resultados; y cuánto repercute el efecto del fluido envolvente sobre las frecuencias naturales en el sistema estático y cómo se comportan para diferentes tipos de fluidos. En general, se determina que las frecuencias naturales varían en diferentes cantidades dependiendo del fenómeno estudiado. Algunas frecuencias tienden a disminuir o a aumentar en diferentes grados conforme se incrementan las revoluciones, mientras que otras se mantienen constantes. También, se determina que casi todas las frecuencias disminuyen entre 0.5% y 20% por el efecto del fluido dependiendo principalmente de la densidad del mismo y del modo de vibrar. Por otro lado, se encuentra una expresión analítica que permite calcular la frecuencia natural bajo el efecto de un fluido B, conociendo la frecuencia dentro de un fluido A, a partir de la relación de sus densidades, bajo ciertas hipótesis y condiciones. Además, se consigue una variación entre 1% y 6% entre las frecuencias obtenidas mediante simulación numérica y las calculadas analíticamente, reduciendo el sistema a un grado de libertad, para los modos más importantes. Por último, se conocen los alcances de la herramienta computacional en este tipo de simulaciones y sus limitaciones para desarrollar escenarios más complejos.

El objetivo principal del presente proyecto es hallar un modelo del alcance de las ondas vibratorias, producto de una voladura, para un terreno determinado, mediante datos reales obtenidos de los diferentes ensayos realizados. De la misma manera, se complementará realizando una comparación entre los cálculos efectuados con la data real y los resultados teóricos.

El presente proyecto de fin de carrera describe y analiza el estudio integral del efecto de las vibraciones producidas por voladuras superficiales realizadas en el proyecto del “Tercer Juego de Esclusas” ejecutado para la Expansión del Canal de Panamá. Se recopilan un total de 53 registros, data generada por el monitoreo de 7 sismógrafos en 10 voladuras de producción realizadas en el año 2010. El fenómeno vibratorio tiene dos parámetros fundamentales, la velocidad picopartícula (PPV) y la frecuencia dominante, los cuales caracterizan cuan dañino puede ser éste frente a su influencia sobre las estructuras civiles; por ello, se pretende caracterizarlas y fundamentalmente predecirlas, lo que permitirá su debido control. En función a lo expuesto, el estudio realizado consta de dos partes, la primera describe el comportamiento del terreno mediante la estimación de la ley de atenuación de la velocidad pico-partícula a través del uso de la regresión lineal por mínimos cuadrados; la segunda detalla un procedimiento validable para la predicción de la frecuencia dominante y del pseudo-espectro de respuesta de velocidad (PVRS) basada en la teoría de Newmark & Hall. Se ha obtenido: (i) la ley de atenuación del terreno para distintos grados de fiabilidad, (ii) herramientas de diseño de voladuras basadas en la relación de carga – distancia, (iii) la demostración que los valores de PPV se ajustan a una distribución log-normal, (iv) el mapa de isolíneas de PPV para el área de estudio, (v) una técnica detallada y válida para la predicción de la frecuencia dominante y del espectro de respuesta, (vi) formulaciones matemáticas de los factores de amplificación para el desplazamiento, velocidad y aceleración, (vii) mapa de isolíneas de amplificación para el área de estudio. A partir de los resultados obtenidos se proporciona información útil para su uso en el diseño y control de las voladuras posteriores del proyecto. / This project work describes and analyzes the comprehensive study of the effect of the vibrations produced by surface blasting carried out in the "Third Set of Locks" project executed for the expansion of the Panama Canal. A total of 53 records were collected, with the data generated by the monitoring of 7 seismographs in 10 production blasts carried out in 2010. The vibratory phenomenon has two fundamental parameters, the peak-particle velocity (PPV) and the dominant frequency, which characterize how damaging this can be compared to their influence on structures, which is why this is intended to characterize and predict fundamentally, that which allows proper control. Based on the above, the study consists of two parts; the first describes the behavior of the terrain by estimating the attenuation law for peak-particle velocity by using the ordinary least squares regression analysis, the second details a validable procedure for the prediction of the dominant frequency and pseudo-velocity response spectrum (PVRS) based on the theory of Newmark & Hall. The following have been obtained: (i) the attenuation law of the terrain for different degrees of reliability, (ii) blast design tools based on charge-distance ratio, (iii) the demonstration that the values of PPV conform to a log-normal distribution, (iv) the map of isolines of PPV for the area of study (v) detailed and valid technique for predicting the dominant frequency response spectrum, (vi) mathematical formulations of the amplification factors for displacement, velocity and acceleration, (vii) amplification of isolines map for the study area. From the results obtained, the study provides useful information for use in the design and control of blasting for subsequent projects.

Las mejoras continuas de la ingeniería de materiales nos permiten diseñar cada vez puentes más ligeros y de mayor longitud. Sin embargo, a pesar de que los puentes peatonales pueden cumplir los estados de carga de servicio o resistencia, la normativa peruana no contempla una revisión de la respuesta vibratoria de los puentes peatonales bajo cargas de servicio. Esto ocasiona que muchas veces se tienen problemas de vibración una vez entren en funcionamiento. Mucho menos existen normas o criterios en caso este tipo de problemas se presenten. Así se tiene la presente investigación la cual empieza con una revisión del estado del arte sobre vibración de puentes peatonales. Luego se hace una un levantamiento de la estructura en campo que permitan obtener los datos suficientes para modelar la estructura y obtener sus propiedades dinámicas basados en un software de elementos finitos. Posteriormente se propone el control de las vibraciones incorporando amortiguadores de masa y como segunda alternativa usando amortiguadores viscosos. A partir de ambos diseños y los datos obtenidos se comparará la respuesta de ambas propuestas. / Continuous improvements in materials engineering allow us to design ever lighter and longer bridges. However, despite the fact that pedestrian bridges can comply with the service load or resistance states, Peruvian regulations do not contemplate a review of the vibration response of pedestrian bridges under service loads. This causes that many times there are vibration problems once they are in operation. Much less are there rules or criteria in case this type of problem arises. Thus, we have the present investigation which begins with a review of the state of the art on vibration of pedestrian bridges. Then a survey of the structure is made in the field to obtain sufficient data to model the structure and obtain its dynamic properties based on finite element software. Subsequently, the control of vibrations is proposed incorporating mass dampers and as a second alternative using viscous dampers. From both designs and the data obtained, the response of both proposals will be compared.

Breast cancer is one of the greatest problems of national and international public health, whose incidence among women population shows an increasing trend. Nowadays there are several elastographic techniques, which seek to characterize the tissue, that is, to analyze the response produced by the application of a perturbation in the medium, to describe its mechanical properties. Among the modalities used are ultrasound, nuclear magnetic resonance and optical coherence tomography. On the other hand, among the types of disturbance used are low frequency mechanical waves, a uniform compression force or acoustic radiation force. In this thesis work, ultrasound was used due to its low economical cost in comparison to the other modalities. In addition, the type of perturbation selected was the external mechanical vibration, as it ensures the achievement of quantitative results, there is no risk of temperature rise in the analyzed area and allows the repeatability of the results obtained. Hence, two elastographic techniques were the axes of the present work: vibro-elastography and normal vibration holography. For the first, a calibrated phantom and a gelatin-based phantom were used, in order to characterize and validate the technique over a wide range of excitation frequencies. Posteriorly, 18 patients were analyzed prior biopsy exam, obtaining elastograms and contrasting them with the respective biopsy results. The results suggest that the technique is able to identify the presence of benign or malignant cancer, and the elasticity estimated agree with values reported in the literature. The second technique is proposed in the elastography field for the first time. Based on holography, its experimental scheme is established, and the mathematical expression for shear speed estimation is presented. Results from simulation and experiments performed on homogeneous and heterogeneous phantoms are presented, and the estimates are compared with previously obtained reference values. The results suggest that the estimates are close to the reference values for all media tested, and the technique must be studied in depth to revert artifacts formation. / Tesis

Wissenschaftliche Arbeiten zeigen einen Zusammenhang zwischen der Eigenfrequenz des Spinnennetzes, dessen Geometrie, dem Eigengewicht der Netzspinne und der äquivalenten Vorspannung. Hypothese dieser Masterarbeit ist, dass die Eigenfrequenz von Spinnennetzen konstant ist. Die vorliegende Masterarbeit zeigt jedoch, dass dies nur bedingt richtig ist. Wir belegen dies mit unseren Experimenten mit verschiedenen Individuen der Spinnenart Argiope Argentata durch Ermittlung derer Eigengewichte und der Eigenfrequenzen der erbauten Spinnennetze. Unsere Daten zeigen, dass die Webnetzspinne die Netzvorspannung nicht proportional zu ihrem Eigengewicht erhöht, so dass die Eigenfrequenz für verschiedene Netze nicht konstant bleibt. Es wird das Vorhandensein eines Eigenfrequenzbereichs vermutet, da ihr Gewicht und ihre Möglichkeiten zur Vorspannung in einem bestimmten Bereich liegen. Eigenfrequenzen von Spinnennetzen werden mit dem in dieser Arbeit erweiterten Schwingungsmodell und auf Basis verö entlichter Arbeiten berechnet. / Previous theoretical work links the natural frequency of a spiderweb to its geometry, the spider's weight, and the equivalent preloaded tension. A common assumption is that the natural frequency of spiderwebs created by a spider species is constant. However, our study proves that this is not necessarily true. More speci cally, there exists a range of natural frequency for spiderwebs from the same species, as the spider's weight, the geometry and the preloaded tension of a spider's type have a range. We conduct our experiments with di erent ArgiopeArgentata spiders by collecting the spiders' weight and the natural frequency of the webs. Our empirical data show that as the web spider weight increases, the preloaded tension does not increase proportionally and thus, the natural frequency does not remain constant for di erent webs. Natural frequencies are calculated with our adjusted model and published theoretical work. / Tesis