Ingeniería Civil

Posterior al mega terremoto de Maule 2010 (8.8 Mw), se evidenciaron graves deficiencias en algunos puentes viales chilenos, especialmente en aquellos que presentan un ángulo de esviaje. Debido a esto, y con el fin de disminuir la vulnerabilidad símica de dichas estructuras, nuevos criterios de diseño sísmico fueron plasmados en el Manual de Carreteras. A pesar de lo anterior, estudios recientes han planteado que estos criterios no apuntan a que los puentes permanezcan operacionales luego de un evento sísmico severo, lo cual podría afectar la resiliencia de la red vial nacional. Este trabajo se enmarca en un proyecto FONDECYT que tiene por objetivo mejorar la resiliencia de los puentes esviados chilenos mediante la incorporación de sistemas de disipación de energía. En particular, en esta tesis se presenta el desarrollo y evaluación de un sistema de disipación de energía multidireccional en base a elementos con forma de U (U-Shaped) que pueda ser implementado en puentes viales. Con tal objetivo, en este trabajo se llevó a cabo una campaña experimental donde se ensayaron probetas de acero tipo U-Shaped, las cuales fueron sometidas a varios protocolos de carga cíclicos de amplitud constante y de amplitud creciente. El fin de estos ensayos es poder caracterizar el comportamiento de un elemento U-Shaped cuando es solicitado en dos direcciones de carga. Lo anterior, se llevó a cabo mediante registros visuales de los daños experimentados por los especímenes, identificando los patrones para las grietas observadas, y más importante aún, registrando las fuerzas y desplazamientos de cada espécimen. Los resultados de la campaña experimental evidenciaron que las curvas de histéresis de los elementos U-Shaped presentan un comportamiento estable a medida que los ciclos de desplazamiento transcurrieron, sin que existiera una notoria degradación de la resistencia. De las curvas fuerza-desplazamiento se pudo observar su propiedad de simetría con respecto al sentido de la carga. Adicionalmente, los resultados experimentales se contrastaron con fórmulas analíticas encontradas en la literatura, de la cual se pudieron obtener factores para poder estimar de mejor manera los valores importantes para el diseño. De manera paralela al trabajo de laboratorio, se realizaron estudios numéricos mediante el desarrollo de modelos de elementos finitos para su posterior calibración y comparación con los resultados experimentales. En este contexto, en primer lugar, se realizó una cantidad importante de modelos para poder calibrar los parámetros del material utilizado. A partir de esta calibración, se pudo evidenciar que el software es capaz de representar de manera adecuada el comportamiento cíclico que experimentan los elementos U-Shaped. Posterior a esto, se realizaron más simulaciones que permitieron establecer relaciones entre las propiedades de estos elementos cuando son cargados en 0° y cuando son cargados en 90°. Estas relaciones permitieron establecer un factor CK, el cual permite calcular la rigidez de un elemento U-Shaped cargado en 90° a partir de su rigidez cuando es cargado en 0°. De la misma forma se estableció un factor CFy que permite relacionar la fuerza de fluencia del elemento cargado en 90° y 0°. A partir de las simulaciones de los elementos U-Shaped, se realizaron modelos a nivel de sistema, es decir, del sistema multidireccional. Para ello, se definieron cuatro configuraciones distintas, donde se contrastaron las curvas de histéresis entre los resultados obtenidos. De estos análisis se determinó que el comportamiento de un sistema multidireccional de elementos U-Shaped queda completamente determinado si es que se conoce el comportamiento de un solo elemento cargado en 0° y 90°. Además, gracias a esto y los coeficientes anteriores se pudo establecer una ecuación que permite calcular la rigidez y fuerza de fluencia de un sistema de disipación de energía en base a elementos U-Shaped, lo cual se prevé será de mucha utilidad para el diseño e implementación de este sistema.

Las técnicas de medición remotas cumplen un rol fundamental en la medición de variables hidrodinámicas en zonas costeras, permitiendo caracterizar los cambios que se producen en estas a un bajo costo operacional y económico. En ese contexto, la presente investigación tuvo como objetivo general la aplicación y extensión de un método óptico de medición de corrientes litorales, con el fin de obtener el campo de velocidades en una zona de rompiente a partir de imágenes de drones. Para cumplir con dicho objetivo, se aplicó un algoritmo que determina velocidades medias paralelas a la línea de la costa utilizando como trazador de la deriva de espuma presente en la zona de la rompiente. Luego, aplicando el algoritmo cBathy para la obtención de la batimetría y la ecuación de continuidad sobre una matriz de velocidades longitudinales previamente calculadas, fue posible determinar la componente transversal de velocidad. Los resultados obtenidos efectivamente permitieron disponer de una caracterización del patrón de flujo medio de las corrientes en la zona de la rompiente, arrojando correlaciones significativas importantes con mediciones directas de un registro de trazadores lagrangianos. Dentro del patrón de flujo obtenido, se logró identificar la presencia de una corriente longitudinal y una corriente de retorno importante que atraviesa todo el dominio analizado. También se evidenció una coherencia con la batimetría y con las zonas de mayor disipación observadas en los videos. Además, los resultados se compararon con simulaciones numéricas realizadas en SWASH en estudios anteriores, obteniendo similitudes en la zona de la corriente longitudinal y la corriente de retorno, y diferencias en flujos locales que la simulación en SWASH no fue capaz de obtener.

La presente memoria es parte de una serie de trabajos que investigan el comportamiento sísmico de elementos de hormigón armado con refuerzo transversal inclinado, desarrollados en el Laboratorio de Ingeniería Sismorresistente de la UTFSM. Se presenta aquí un análisis de los resultados de estudios previos, así como de datos experimentales de elementos de hormigón armado construidos y ensayados por el autor en colaboración con Maldonado (2023). La novedad de estos elementos de hormigón armado consiste en que incorporan unas barras adicionales que buscan prevenir el pandeo del refuerzo longitudinal. Según lo observado durante los ensayos, se concluyó que la incorporación de la armadura adicional logró reducir considerablemente la curvatura asociada al pandeo del refuerzo longitudinal en la dirección perpendicular al plano, retardando el comienzo del pandeo, lo que conllevó a que la fractura de las barras ocurriera bajo una serie de desplazamientos mayores que lo observado en condiciones similares en trabajos previos. El comportamiento histerético de las probetas con la armadura adicional fue sobresaliente en comparación con estudios previos, mostrando ciclos más anchos y estables, independientemente de los programas de carga aplicados. También es destacable que el deterioro del hormigón sea menor en los casos que las probetas incorporan la armadura adicional.

La zona central de Chile depende en demasía del derretimiento nival y glaciar, donde la nieve estacional corresponde al aporte primario de la zona contemplando un aporte aproximado del 60% de la escorrentía total mientras que el aporte glaciar llega a valores cercanos de un 30%. La seguridad hídrica de la zona en los últimos años se ha visto mermada por el cambio climático, que se ha presentado como tendencias al aumento de la temperatura y disminuciones importantes de precipitación, lo cual ha provocado una importante disminución del volumen de nieve caída y retrocesos acelerados de los glaciares. Esto ha incentivado un gran número de investigaciones del ciclo glacio-hidrológico y su proyección en el futuro mediante la modelación glacio-hidrológica. A pesar de esto, no han entregado información detallada del derretimiento nivo-glaciar de forma distribuida. Debido a esto, en este trabajo de investigación se presenta la determinación del aporte a la escorrentía por derretimiento nival, glaciar y precipitación líquida de forma distribuida en 3 cuencas de la zona central de Chile (Río Juncal en Juncal, Río Olivares antes junta Río Colorado y Río Yeso en Embalse El Yeso) por medio de un nuevo modelo hidrológico USM. Los cambios aplicados al modelo hidrológico USM corresponden al reemplazo del submodelo de nueve de Stowhas (semi-distribuido) por el modelo de acumulación y derretimiento nival distribuido de Utah (UEB) y la adición del modelo de índice grado-día mejorado (ETI) para la estimación del derretimiento glaciar, donde finalmente se evalúa el rendimiento del modelo mediante un esquema de calibración por pasos (multi-setp) con múltiples fuentes de información (multi-data), considerando datos de cobertura nival obtenidas de imágenes MODIS (SCA), datos puntuales de equivalente agua-nieve (SWE), resultados de tasa anual de variación de elevación de hielo glaciar y datos de caudales diarios para 20 años de simulación y forzado con los productos grillados del CR2MET. Se determina que el principal aporte de las cuencas analizadas corresponde al derretimiento nival presentando valores promedio de cuenca entre un 75-85% de aporte relativo, con un rango de valores entre 30-100% entre todas las cuencas de análisis. En las zonas glaciarizadas, el aporte glaciar presenta valores promedio entre 20-50% dependiendo del glaciar analizado, llegando a haber zonas donde llega a valores de un 70%. Se aprecian métricas de rendimiento excelentes en los modelos nival (KGE= [0.7 – 0.92]) y glaciar (R2= 0.78), mientras que para el modelo de escorrentía se llegan a valores aceptables pero cuestionables (KGE= [0.23 – 0.68]), atribuible a un sesgo importante presente en las forzantes meteorológicas utilizadas, lo cual, en conjunto con la calibración de un parámetro de aumento de precipitación, provoca un aumento del aporte pluvial en la modelación. Se concluye que los resultados, a pesar de presentar una mejora con respecto a los modelos anteriores, presenta muchas oportunidades de mejora, y que debido a la gran incertidumbre en los pasos de modelación y las forzantes utilizadas, los resultados también presentan un gran grado de incertidumbre.

En este estudio, se investigó el comportamiento de los elementos de hormigón armado con armadura transversal inclinada sometidos a solicitación sísmica. En ensayos anteriores desarrollados en la UTFSM, se visualizó la fractura del refuerzo longitudinal en la zona de la rótula plástica debido al pandeo de las barras en la dirección no restringida por los estribos. Con el objetivo de prevenir esto, se diseñó una armadura adicional formada por barras diagonales en forma de trabas. Se construyeron y ensayaron cuatro elementos de hormigón armado a escala próxima al real, que incluían esta armadura adicional en la parte inferior y superior de la viga. Los resultados mostraron que el refuerzo adicional restringió el pandeo en el plano de las barras longitudinales en la zona de rótula plástica, minimizando el riesgo de fractura en comparación con estudios anteriores. Aunque se observaron roturas en dos de las probetas debido a la falla por compresión diagonal y posiblemente por deformaciones debido al pandeo superiores al umbral de deformación unitaria crítica. Este último parámetro se debe obtener con una mejora en el material fílmico para visualizar la curvatura de las barras pandeadas y así determinar si se supera el umbral. Además, se determinó la influencia del efecto de la torsión en las probetas, lo que resultó en una disminución en la resistencia y una disminución de resistencia a altos desplazamientos. Por otro lado, se estableció que el efecto del protocolo de carga no tuvo una implicancia determinante en el comportamiento histerético y degradación de las probetas.