Ingeniero Civil Mecánico / La necesidad por desarrollar métodos cuantitativos para la detección de daño que puedan ser utilizados en estructuras complejas ha llevado a una continua investigación de métodos basados en los cambios en las características vibracionales de una estructura. Estos métodos son capaces de detectar daños pequeños en cualquier sector de una estructura. Tienen la ventaja que la ubicación del daño no debe ser conocida a priori y tampoco es necesario tener acceso a ella. Un área con potencial y que aún está en investigación, es el uso de las anti-resonancias en la detección de daño. Las anti-resonancias se pueden determinar de manera más precisa que los modos normales (usualmente utilizados), lo que puede resultar en una evaluación más precisa del daño. Este trabajo busca desarrollar un algoritmo de detección de daño utilizando anti-resonancias cruzadas y redes neuronales. Las redes neuronales artificiales son eficientes técnicas computacionales, usadas ampliamente para solucionar problemas complejos en muchos campos del conocimiento. El método se valida mediante datos simulados y experimentales de una viga libre y empotrada en distintas situaciones de daño. El estudio se estructura de la siguiente manera: Se generan los modelos en elementos finitos de las vigas y se crean las bases de datos analíticas de los casos de falla. Con las bases se entrenan las RNAs, luego se validan para después hacer la toma de datos experimentales. Con estos datos se validan experimentalmente las RNAs. Más tarde se procede con la introducción de ruido a los datos analíticos y finalmente se comparan los resultados con los obtenidos anteriormente. Se tratan los casos de una sola falla y dos fallas simultaneas en algún par de los 20 elementos en los cuales se discretizó la viga. Los daños se simulan disminuyendo porcentualmente la matriz de rigidez de alguno de los elementos de la viga. Se logran detectar todos daños inducidos en las vigas, teniendo más éxito en la viga libre debido a que el empotramiento implementado no pudo simular las condiciones de borde completamente, lo que se traduce en que los datos obtenidos no condicen con los datos simulados analíticamente, los cuales obedecen a un empotramiento perfecto. Se estudia la introducción de ruido pseudo-aleatoreo que sigue una distribución uniforme y una normal. Se concluye que el ruido mejora los resultados pero no logra acercarse del todo al caso experimental, por lo que se propone analizar otro método de introducción de ruido.

Ingeniera Civil Mecánica / Toda estructura en ingeniería se encuentra expuesta al daño y deterioro durante su vida útil. La información oportuna del deterioro que presenta puede incrementar la seguridad en su uso y mejorar su confiabilidad, además de reducir significativamente los costos asociados al mantenimiento. El uso de Redes Neuronales Artificiales (ANN en inglés artificial neural network) ha sido considerado en la detección de daño porque luego que la ANN es entrenada, utilizarla implica solo un gasto menor de recursos computacionales, lo que la hace idónea para monitoreo en tiempo real. Sin embargo, en la etapa de entrenamiento es necesaria gran capacidad computacional, la cual crece con la complejidad de la estructura. Además, mientras más elementos se quieran detectar con una red, más difícil se vuelve el entrenamiento y peores son los resultados. Esto último hace que la aplicación directa de redes neuronales en estructuras complejas sea casi imposible. Una solución es dividir la estructura en sub-estructuras y entrenar una red para cada sub-estructura por separado, este método se conoce como sub-estructuración. En el presente trabajo se obtiene un algoritmo capaz de identificar daño en estructuras de barras por medio del método de subestructuras combinado con ANN. Las frecuencias de resonancia y anti-resonancia de la estructura son las variables de entrada sensibles al daño y las variables de salida son factores de reducción de rigidez para cada elemento. El trabajo se divide en dos etapas principales; primero se modela en MATLAB la estructura mediante elementos finitos y se realiza un análisis con daño simulado, y luego se valida el modelo con una estructura experimental. El método de identificación de daño utiliza dos redes neuronales. La primera debe detectar la o las sub-estructura(s) con daño y la segunda debe detectar daños en cada elemento de la sub-estructura identificada por la primera red. De esta forma se reduce el tamaño de cada ANN, y con esto los recursos computacionales necesarios para entrenarlas. El daño en un elemento tiene dos representaciones; a nivel de elementos finitos se considera un factor de reducción de rigidez y a nivel experimental se considerarán cortes en las secciones. El desarrollo de la primera red entrega buenos resultados a nivel numérico y logra detectar las subestructuras dañadas en tres de los cuatro casos de daño experimental. Para su entrenamiento se incluyeron las frecuencias de resonancia y las frecuencias de anti-resonancia de los nodos límite de cada subestructura. Las redes de la segunda etapa, una para cada subestructura, se logran entrenar a nivel numérico dependiendo principalmente del número de entradas disponibles, lo cual permite que tres de las seis presenten resultados muy buenos. La validación con datos experimentales detecta los daños 5 existentes en los casos estudiados, pero sólo logra cuantificar y localizar uno de ellos. Por lo tanto, el uso de un método de sub-estructuración y redes neuronales para la identificación de daño en estructuras de barras, resultó correcto en la etapa de localización de subestructuras dañadas. Sin embargo, para la identificación de elementos dañados en cada sub-estructura es necesario asegurar una cantidad mínima de datos de entrada a la red (frecuencias de anti-resonancia) que permita el correcto entrenamiento de la red neuronal.

Este trabajo valida un modelo de interacción flexión-corte en vigas de hormigón autocompactante liviano, con acero longitudinal de refuerzo y cables pretensados, para tres relaciones de aspecto de corte. Adicionalmente, se ha estudiado la capacidad predicha por diferentes implementaciones del modelo de interacción sobre vigas de hormigón armado tradicional, utilizando distintas relaciones de aspecto de corte. La interacción entre esfuerzos de flexión y corte se realiza mediante elementos con comportamiento de panel (biaxial), mientras que las cargas de pretensado se incluyen como solicitaciones externas. Para caracterizar los materiales modelados, se definen las leyes constitutivas de estos en base a recomendaciones y expresiones de la literatura disponible al respecto. Las leyes definidas se incorporan al modelo de interacción, obteniéndose respuestas analíticas que se comparan con resultados experimentales realizados en la Universidad de Oklahoma, en el caso de las vigas de hormigón autocompactante liviano, y ensayos realizados por Kani (1979) en el caso de vigas de hormigón armado tradicional. Las implementaciones del modelo de interacción: (i) resultante de tensiones nulas en la sección transversal y (ii) deformaciones transversales basadas en un perfil calibrado para muros cortos, son incluidas en la modelación. Se presenta una hipótesis adicional al calcular el perfil de deformaciones transversales: (ii.1) se descuentan las deformaciones por flexión y (ii.2) estas deformaciones no son descontadas. Al analizar vigas de hormigón armado tradicional para un amplio rango de relaciones de aspecto de corte, el modelo de tensiones nulas posee buenas predicciones de capacidad para relaciones altas; mientras que, en general, el modelo con un perfil de deformaciones calibrado posee mejores predicciones para relaciones bajas. Se presentan adicionalmente un modelo de flexión, que no presenta grandes diferencias con los modelos de interacción en capacidad, pero no permite reflejar la fragilidad de las vigas estudiadas (todas de falla por corte). En el caso de las vigas de hormigón autocompactante liviano, el modelo con deformaciones calibradas que descuenta las deformaciones por flexión posee mejores predicciones de capacidad y deformación de las vigas estudiadas, entregando los demás modelos capacidades similares, pero deformaciones que sobre estiman la obtenida experimentalmente.

Ingeniero Civil Mecánico / Para el diseño de estructuras es indispensable conocer la fuerza que actúa sobre estas con el propósito de desarrollar mejores criterios de diseño, planes de mantención, evitar fallas catastróficas o prolongar la vida útil de las estructuras. Una forma indirecta de identificar las fuerzas que actúan sobre una estructura es mediante la medición de la respuesta dinámica de la estructura, la cual puede ser en forma de desplazamientos, velocidades, aceleración o deformaciones. Esto se conoce como el problema inverso. Dentro de los algoritmos de identificación de fuerzas más utilizados están los métodos en el dominio de las frecuencias y los métodos en el dominio del tiempo. Ambos métodos se traducen en resolver un problema de mínimos cuadrados que busca minimizar el error entre la fuerza estimada mediante el algoritmo y la fuerza aplicada. Sin embargo, resolver este problema lleva intrínseca la inversión de una matriz que muchas veces está mal acondicionada, lo que hace que la solución no sea única y/o sea inestable ante pequeñas variaciones de la respuesta dinámica. Además, muchos de estos métodos solo entregan la fuerza en los puntos de medición, por lo que no se tiene un conocimiento completo del comportamiento de la estructura. El objetivo del presente trabajo es desarrollar y validar un algoritmo de identificación de fuerzas dinámicas para una viga, aplicando un método de aproximación lineal. Donde una fuerza arbitraria es posible escribirla como una combinación lineal de fuerzas tipo impulso aplicadas en distintos tiempos. En primera instancia se realiza un modelo numérico de la viga en elementos finitos mediante el software Matlab, para luego realizar el algoritmo de identificación de fuerzas dinámicas y así validarlo en forma numérica y posteriormente en forma experimental. Se obtuvo que este algoritmo permite estimar la fuerza aplicada con bastante exactitud. Pudiendo calcular la fuerza aplicada en nodos donde no se mide la respuesta, por lo que no se requiere a priori una cantidad excesiva de sensores para tener buenas estimaciones. Además de no ser necesarias las propiedades de la viga en estudio para la determinación de la fuerza real aplicada en el análisis experimental. Sin embargo, para fuerzas con frecuencias de excitación cercanas a las frecuencias naturales de la viga, el algoritmo pierde precisión. Por otro lado, al disponer de una mayor cantidad de sensores midiendo la respuesta de la viga, el algoritmo disminuye los errores de estimación de la fuerza.

[pt] O emprego de concretos de diferentes resistências em pilares e nos demais elementos do edifício, sendo o concreto dos pilares o de maior resistência, tem sido uma opção adotada em algumas edificações. Nas construções em geral, o concreto do pavimento é colocado continuamente atravessando o nó pilar-pavimento. Como resultado, o concreto da parte do pilar na região de encontro entre o pavimento e o pilar tem uma resistência menor do que no resto do pilar. Como, em geral, esta região do pilar se encontra confinada pelo pavimento, surge então a dúvida sobre qual é a resistência à compressão que se deve utilizar no cálculo do pilar; se deve ser a do pilar, a do pavimento ou um valor intermediário. O objetivo do trabalho é estudar experimentalmente a influência do confinamento do nó em pilares interceptados por vigas. As variáveis adotadas foram a taxa de armadura e a deformação específica inicial na armadura longitudinal das vigas. Nesta tese foram estudados experimentalmente quatro espécimes com vigas nas duas direções e oito espécimes com vigas em uma direção. Também foram ensaiados dois pilares isolados e homogêneos, um com concreto de mesma resistência à compressão do concreto utilizado no pilar e outro com concreto com resistência igual à resistência do concreto das vigas. As resistências nominais dos concretos das vigas e dos pilares foram 30 MPa e 70 MPa respectivamente. Os resultados indicaram que o confinamento promovido por vigas nas duas direções resulta num aumento significativo na carga de ruptura. O aumento da taxa de armadura das vigas aumenta a capacidade final somente nos espécimes com vigas nas duas direções. A influência da deformação inicial na armadura das vigas é inexpressiva. / [en] The use of concretes with different strengths in columns and in the others elements of the floor, with the columns having the concrete with the highest strength, has been an option adopted in some buildings. In general, the concrete of the floor is poured continuously crossing the floor-column joint. As a result, the concrete strength in the joint region is lower than the concrete strength of the rest of the column. Since, in general, the joint region is confined by the floor, a doubt on the effective strength of the joint remains. The objective of the present work was to study experimentally the influence of the lateral confinement in the joint region of columns intercepted by beams. The variables were the reinforcement ratio and the initial strain in the tension reinforcement of the beams. In the present thesis, four specimens with beams in one direction and eight specimens with beams in two directions were studied experimentally. In addition, two isolated columns were also tested, one with concrete of same strength of the concrete of the columns and other with concrete of same strength of the concrete of the beams. The compressive concrete strength of the beams and columns were 30 MPa and 70 MPa respectively. The results indicated that the confinement provided by beams in two directions causes a significant increase of the failure load. The increase of the tension reinforcement ratio of the beams increases the failure load only in specimens with beams in two directions. The initial strain in the tension reinforcement of the beams has no effect on the ultimate capacity of the specimens.

Ingeniero Civil / Un modelo que combina las respuestas de corte y flexión fue desarrollado por Massone et al. (2006). Este modelo ha sido validado para muros esbeltos y muros cortos (Massone et al., 2009). El modelo fue adaptado para su uso en vigas simplemente apoyadas con ciertas particularidades, como fibras de acero en la mezcla de hormigón o la utilización de hormigón de auto consolidación (Galleguillos, 2010 y Gotschlich, 2011 respectivamente). El modelo de interacción corte-flexión fue adaptado para simular vigas de hormigón armado en cantiléver con una abertura rectangular en la dirección transversal horizontal al centro de su luz. El objetivo era el de validar el modelo para su uso en elementos de esta naturaleza, que son comunes en edificios modernos, en donde se busca aprovechar la altura completa de pisos. Las aberturas se utilizan para el paso de conductos y tuberías. Los resultados obtenidos mediante el modelo de interacción fueron comparados con resultados experimentales, descritos por Lemnitzer et al. (2013). La respuesta global predicha se acerca considerablemente a la respuesta experimental, mostrando curvas de carga desplazamiento razonables. Las limitaciones del modelo fueron evidentes al estimar la zona de falla del Espécimen 1, que presenta daño en su abertura. Otras discrepancias son la alta ductilidad que entrega el modelo analítico, retrasando la degradación por la contribución de corte, así como la alta rigidez inicial que presentan las simulaciones. La acumulación de daño por corte en ciertas zonas fue bien capturada mediante el modelo para los tres especímenes que fallaron en su interfaz con el bloque de reacción, pero no así la acumulación de daño por flexión. La máxima capacidad de los especímenes fue bien predicha, con discrepancias iguales o menores a un 10%. Una variación en la discretización inicial de las vigas junto a una baja en las resistencias de los elementos en el modelo permite inducir la falla en la zona de la abertura. Esta última discretización es recomendada para estudios a futuro.

Ingeniero Civil / Tradicionalmente, en Chile se han aplicado procesos de clasificación visual para seleccionar las láminas destinadas a la fabricación de madera laminada encolada (MLE). Por otro lado, estudios desarrollados en Europa han concluido que las propiedades que influyen significativamente en la capacidad resistente de la madera son el módulo de elasticidad, la inclinación de la fibra y la densidad. Estos atributos son complejos de controlar visualmente en un proceso industrial y por lo tanto se propone la utilización de grados mecánicos. Este trabajo de título explora potenciales incrementos en la capacidad resistente y rigidez en vigas de MLE de Pino radiata (PR), a través de procesos de clasificación basados en la densidad y la inclinación de fibra. De acuerdo a F. Colling una mejora en la calidad estructural de vigas de MLE sólo es alcanzable mediante un aumento de calidad de sus dos componentes: uniones endentadas y láminas de madera. En cuanto a las uniones endentadas se analiza el incremento de resistencia en empalmes, al modificar la producción y el adhesivo. Por lo cual, de acuerdo a los antecedentes de 95 probetas ensayadas a flexión y 160 a tracción, se identifica el criterio de producción, adhesivo escogido y resistencias alcanzadas. Por su parte, para evaluar la influencia de las láminas, se analizan incrementos en resistencia y rigidez en vigas, al variar su calidad y disposición. Se proponen así, 17 series, las cuales se forman al combinar 2 láminas clasificadas visualmente y 2 mecánicamente. Estas pueden estar dispuestas horizontalmente en toda la altura o ubicarse de manera vertical exclusivamente en el borde flexotraccionado. Los ensayos de 54 probetas arrojan que la incorporación de láminas de grados mecánicos aumenta el Módulo de Rotura (MR) a flexión característico entre un 40-50% y el Módulo de Elasticidad (MoE) medio en 45%, versus vigas con láminas clasificadas visualmente. Además, la ubicación de láminas verticales en la zona flexotraccionada arroja un aumento de MR a flexión característico entre un 30-40%, en contraste con el MoE medio que no experimenta cambios en comparación con vigas de láminas horizontales. Finalmente con ambas mejoras, el MR aumenta en 95% y el MoE en 50% con respecto a la viga tipo que se fabrica actualmente en el país.

Orientador: Edson Antônio Capello Souza / Coorientador: Paulo José Paupitz Gonçalves / Banca: Laercio Javarez Junior / Banca: Bento Rodrigues de Pontes Junior / Resumo: Neste trabalho foi proposto o estudo do amortecimento estrutural em vigas engastadas com adição de materiais viscoelásticos. As vigas foram montadas na condição engastada-livre e sujeitas de força na extremidade livre. Duas análises foram feitas. O primeiro modelo foi desenvolvido utilizando a Matriz de Impedância de Elemento Espectral (MEE) e o outro modelo foi desenvolvido utilizando Método dos Elementos finitos (MEF). Para validar os modelos numéricos foram realizados ensaios experimentais utilizando um acelerômetro e um martelo de impacto para obter a função de resposta em frequencia para as diferentes configurações de vigas idealizadas. Através dos resultados obtidos pode-se observar e comprovar o comportamento com frequencia de resposta do sistema e detectou-se redução de amplitude devido ao fator incremental de amortecimento viscoelástico proporcionado pelas camadas de fita (materiais viscoelásticos), comprovando assim, a importância da utilização de um material viscoelástico como atenuador de amplitudes no efeito da flexão do sistema. Os resultados experimentais foram comparados aos resultados dos modelos analíticos e numéricos de modo a se obter a validação experimental / Abstract: This work proposes the study of structural damping in beams with added viscoelastic materials. The beams are mounted in a clamped-free condition and subject to force input at the free end. Two types analisis were made. The first model was developed using the Impedance Matrix of Spectral Element. The other model was developed using Finite Element Method (FEM). To validate the numerical models, experimental tests were performed using one accelerometer and a impact hammer to obtain frequency responce function of the diferente beams configurations. From the results we can observe and verify the variation in frequency response of the system and was detected amplitude reduction factor due to the incremental viscoelastic damping provided by the layers of tape (viscoelastic materials), thereby proving the importance of using a viscoelastic attenuator as possible amplitudes effect of the bending system. The results were compared to the results of analytical and numerical models in order to obtain experimental validation / Mestre

En la última década, la actividad constructora ha tenido mayor dinamismo que en años pasados. Las edificaciones que se construyen para vivienda u oficinas tienen mayor cantidad de pisos y de sótanos, los cuales atienden Se ha construido una gran cantidad de edificaciones de vivienda u oficinas. Muchos de estos edificios tienes más de diez pisos y, por exigencias de estacionamientos, más de tres sótanos. Los muros perimetrales de estos transmiten una carga axial significativa a la cimentación. Esta al ser excéntrica genera esfuerzos altos en el suelo y posibles giros en la cimentación. Además, en el análisis de esta estructura, existe una gran incertidumbre. Por tanto, es necesario estudiar este problema y proponer una solución. Cuando se realiza el diseño de elementos estructurales que interactúan con el suelo se debe tener en cuenta varios parámetros. Los parámetros geotécnicos y las condiciones del suelo en el que se apoya la estructura afectan al diseño. Cabe resaltar que los elementos estructurales en contacto con el suelo, en una edificación con sótanos, son los muros perimetrales y las cimentaciones de los mismos, así como la de los demás muros estructurales o placas, y la de las columnas. El objetivo principal de esta tesis es evaluar los efectos que se producen debido a cargas excéntricas en las cimentaciones de muros perimetrales. Asimismo, se evaluará la necesidad del uso de vigas de cimentación que conecten el cimiento del muro perimetral con otros elementos de la cimentación. Se realizará el análisis de distintos escenarios que se puedan presentar en una edificación con sótanos. Es decir, se analizará una edificación para una cantidad diferente de sótanos y, también, considerando si las edificaciones aledañas tienen o no sótanos. También, se modificará la carga axial que llega a los cimientos variando la cantidad de pisos típicos del edificio. Finalmente, se evaluará los esfuerzos en la cimentación al modificar las dimensiones del muro y de la cimentación.

La implementación de técnicas de optimización es de fundamental importancia en el diseño de estructuras construidas con materiales compuestos. Esto se debe a que dicho diseño involucra una gran cantidad de variables que generan problemas de optimización multimodales sujetos a restricciones de diversa índole. Además, hay situaciones de diseño en las que, por distintas razones, es necesario abordar la minimización de distintos objetivos en forma conjunta. Esto conduce a la aplicación de formulaciones multiobjetivo. Asimismo, existen situaciones en las cuales los datos iniciales del problema de diseño no son totalmente precisos, o bien, es de interés conocer el comportamiento de la estructura ante pequeños cambios en dichos datos. Esta incertidumbre en las condiciones iniciales del problema puede ser considerada en el esquema de diseño mediante la aplicación de modelos específicos desarrollados a tal efecto. Desde el punto de vista estructural, la esbeltez que en muchos casos posee este tipo de estructuras genera la necesidad de conocer su comportamiento en lo que respecta a la estabilidad global y local de las mismas. En esta tesis se presentan distintos esquemas destinados al diseño óptimo multiobjetivo de vigas de pared delgada de eje recto o curvo, construidas con materiales del tipo Plástico Reforzado con Fibras (FRP, por sus siglas en inglés). El análisis estructural se realiza mediante la aplicación de un modelo teórico de tipo viga que considera flexibilidad por corte debida a flexión y alabeo. En base a esta teoría y con el interés de formular un problema de diseño analítico, se obtienen soluciones explícitas aproximadas para evaluar distintos parámetros estructurales, tales como cargas críticas de pandeo global, desplazamientos máximos y tensiones. Por otra parte, se aplica una estrategia para el análisis del pandeo local en base a la teoría de placas para verificar la estabilidad local de vigas rectas y curvas construidas con materiales isótropos o compuestos de configuración ortótropa. Para obtener diseños que contemplen la posibilidad de alcanzar diferentes objetivos, se implementan distintos métodos que consideran conjuntamente aspectos de estabilidad, desplazamiento y peso propio de la estructura como objetivos principales. Se analiza el efecto producido por variaciones en las cargas aplicadas a la estructura mediante un modelo matemático de incertidumbre. Este modelo se basa en el análisis del peor escenario posible, aplicándose el método de anti-optimización. Se consideran restricciones estructurales, geométricas y operativas que contemplan condiciones de resistencia, inestabilidad local y geometría de la sección, entre otras. Los esquemas de diseño óptimo propuestos se resuelven mediante la aplicación de distintos métodos heurísticos que permiten obtener soluciones óptimas de carácter global. Se utilizan las técnicas Simulated Annealing, Simulated Annealing Caótico y Algoritmo Genético. / The implementation of optimization techniques is of fundamental importance in the design of structures built with composite materials. This is because the design involves a lot of variables that generate multimodal optimization problems, subject to constraints of diverse nature. In addition, there are design situations in which for various reasons, it is necessary to address different minimization objectives jointly. This leads to the application of multiobjective formulations. There are also situations in which the initial data of the design problem is not entirely accurate, or is of interest to know the behavior of the structure against small changes in data. This uncertainty of the initial conditions can be considered in the design scheme by applying specific models developed for such purpose. From a structural standpoint, the slenderness that in many cases these structures have generates the need to understand their behavior with respect to global and local stability. This thesis presents different schemes for multiobjective optimal design of thin-walled beams, with straight or curved axis, built with materials of the type Fiber Reinforced Plastics (FRP). The structural analysis is performed by applying a theoretical beam model allowing shear flexibility due to bending and warping. Based on this theory, and with the interest to develop an analytical design problem, approximate explicit solutions are obtained in order to evaluate various structural parameters such as global critical buckling loads, maximum displacements and stresses. On the other hand, a strategy based on the plate theory is applied to analyze local buckling in order to verify the local stability of straight and curved beams made with isotropic materials or composites with orthotropic configuration. In order to obtain designs which consider the possibility of achieving various targets, different methods are implemented to jointly regard issues of stability, displacement and weight of the structure as main targets. The effect of variations in the loads applied to the structure is analyzed by applying a mathematical model of uncertainty. This model is based on the analysis of the worst feasible scenario, applying the anti-optimization method. Structural, geometric and operational constraints are considered which contemplate conditions of strength, local instability and sectional geometry, among others. The proposed optimal design schemes are solved by the application of different heuristic methods that allow obtaining global optimal solutions. The techniques employed are Simulated Annealing, Chaotic Simulated Annealing and Genetic Algorithm.