Proyectos de obras civiles: Estructuras, Geotecnia e Hidráulica

Hoy en día es fundamental conocer la capacidad que presentan las estructuras antes de que las mismas sean sometidas a la acción de terremotos fuertes. Esto ha motivado el desarrollo durante las últimas décadas de procedimientos de análisis de la vulnerabilidad estructural, que van acompañados de la aplicación de modelos que recogen la respuesta no lineal tanto geométrica como constitutiva. Los resultados de la evaluación de la vulnerabilidad sísmica permiten la toma de decisiones sobre llevar a cabo proyectos de reforzamiento pre-sísmicos empleando diversas técnicas o incluso la posibilidad de implementar sistemas de protección mediante disipadores o aislamiento sísmico.

Las estructuras de acero tienen una amplia aplicación en la construcción de edificios y facilidades industriales. Su desempeño adecuado se debe al cuidadoso diseño de elementos y conexiones que generen la capacidad de disipar energía de manera estable, sin pérdidas súbitas de resistencia. Para esto, es necesario estudiar el comportamiento frente a acciones ambientales extremas como son los vientos, terremotos y tsunamis. Este estudio se lleva a cabo mediante la aplicación de procedimientos de simulación numérica que permiten determinar el desempeño de tales estructuras en rango no lineal, especialmente considerando el comportamiento de sus conexiones

El empleo de la madera en la edificación ha adquirido mayor relevancia en países desarrollados de Europa, Norteamérica y Oceanía, en los últimos 20 años, particularmente en edificios de mediana altura utilizando el sistema constructivo en madera contralaminada (CLT). Este aumento se debe a las importantes ventajas que presenta este sistema, entre ellas la rapidez de ejecución, la limpieza en el sitio de la obra y la reducción en la huella de carbono que está implícita en la madera. Entonces, en atención a que Chile es un país maderero y que tiene un alto déficit habitacional, es conveniente realizar estudios tendientes a generar antecedentes necesarios para conformar una base fundamentada sobre la cual se genere la normativa técnica y así facilitar el uso de este material en la construcción. Debido a que la madera es un material heterogéneo, que se puede modelar como un material ortotrópico, y que sus propiedades dependen de las condiciones de sitio de los bosques, la determinación de las propiedades del material y de los elementos constructivos elaborados con madera se deben determinar mediante ensayos experimentales.

Las uniones con elementos de acero son elementos fundamentales en las construcciones en madera. porque permiten la disipación de energía cuando la estructura está sometida a solicitación sísmica, debido a que la madera, con un contenido de humedad en el entorno entre 8 y 20%, es un material rígido que presenta comportamiento lineal elástico y rotura frágil sin que exista una zona de plastificación en la curva carga-deformación. Sólo para solicitación de compresión en la dirección de la fibra se observa plastificación. El comportamiento de las uniones depende de las propiedades de las piezas de madera que se unen. Estas propiedades dependen de la especie de la cual provienen las piezas de madera y de las condiciones de sitio de crecimiento del árbol. Entonces, el comportamiento de las uniones debe ser determinada en base a ensayos experimentales estáticos y cíclicos.

Nuestras estructuras se encuentran emplazadas en una de las zonas más susceptibles a eventos sísmicos de gran magnitud. Es por esta razón, que el análisis y diseño de éstas debe ser llevado a cabo de una manera rigurosa empleando las actuales normativas de diseño nacionales e internacionales y métodos avanzados de análisis sísmico que se utilizan para el diseño sismorresistente de estructuras. Para ello, es imprescindible conocer los tipos de análisis sísmicos actuales para el diseño sismorresistente de estructuras y estimar la respuesta sísmica usando, por ejemplo: análisis modal espectral, pushover y análisis tiempo historia no lineal. Los resultados de los análisis permiten el dimensionamiento y detallamiento de cada uno de los elementos que conforman el sistema estructural.

Los puentes constituyen una parte significativa de la economía nacional de un país y sirven como base para el desarrollo de la infraestructura. El diseño y construcción de puentes nuevos y los numerosos puentes existentes que deben repararse/reforzarse y modernizarse de acuerdo a los actuales estándares de diseño, requiere un de un estudio profundo de la Ingeniería de puentes. En este sentido, es fundamental el conocimiento de los principios de la ingeniería mecánica, los mecanismos de transferencia de carga, las metodologías de análisis, los principios de diseño, tipología de daños, mecanismos de falla, las estrategias de construcción, inspección, mantenimiento, reparación y reacondicionamiento en el ámbito de la ingeniería de puentes. Finalmente, el conocimiento profundo sobre el análisis y diseño de una amplia variedad de puentes, la compresión de las técnicas de construcción, inspección, mantenimiento, reparación y rehabilitación basadas en el campo y comprender las tendencias globales emergentes en el dominio de la ingeniería de puentes es vital en un país en vías de desarrollo.

En la práctica profesional regular, es común el uso de metodologías que simplifican el modelo de fundación de una estructura, para análisis de su respuesta estática y dinámica. Sin embargo, las estructuras actualmente requieren de diseños que consideren el aporte de la fundación como un sistema, y no como elementos individualizados o idealizados, como lo permiten las metodologías tradicionales. Por lo cual, en esta línea de trabajo se realiza la evaluación de la interacción dinámica suelo-fundación-estructura, en búsqueda de identificar patrones de comportamiento, que permitan definir metodologías de diseño que puedan ser incorporadas en la práctica regular para el diseño de fundaciones, principalmente en lo que respuesta a la componente sísmica.

La respuesta sísmica del terreno, ya sea en campo libre o bajo una estructura, condiciona el comportamiento de las edificaciones en general, por lo cual las normativas incorporan parámetros para su consideración en el diseño. Sin embargo, dada la complejidad del fenómeno de propagación de ondas, producto además, de las naturales condiciones geomorfológicas de una ciudad, las normativas no incluyen situaciones que puedan generar un comportamiento singular del terreno. Por lo que esta línea de trabajo, busca evaluar la respuesta sísmica regional, con diferentes condiciones geomorfológicas, con el fin de contar con elementos que puedan ser usados como criterios para la clasificación sísmica de un terreno y para el diseño sísmico de una estructura.

La complejidad existente en el comportamiento de depósitos de suelo y macizos rocosos se debe a factores como procesos de depositación, composición mineralógica, historia de esfuerzos, entre otros. Como consecuencia de este escenario se recurre a simplificaciones y al uso de correlaciones en los análisis, así mismo se refuerza la necesidad de investigar materiales propios de sitios de interés en la práctica ingenieril. Por todo lo anterior, es relevante el estudio del comportamiento del suelo basado en la experimentación, tanto para una correcta caracterización de los materiales como para el entendimiento de su comportamiento. En este sentido, la línea de investigación se enfoca en el desarrollo de etapas experimentales que permitan analizar paramétricamente el comportamiento mecánico de suelos, bajo condiciones estáticas y dinámicas, en aras de proponer métodos o modelos que permitan estimar propiedades de suelos.

El desempeño de los suelos ante condiciones dinámicas toma particular relevancia en zonas de alta sismicidad, donde la combinación “movimiento sísmico-condiciones de depósitos” puede conllevar problemas como licuefacción, agrietamiento en suelos, amplificación de desplazamientos, entre otros. A su vez, estos problemas pueden impactar negativamente en obras de infraestructura o terrenos, llegando en algunos casos a poner en riesgo la vida de las personas. Es por ello, que es relevante el estudio permanente tanto del comportamiento de suelos como de respuestas de sitio ante condiciones dinámicas, en aras de ampliar la comprensión que se tiene del desempeño de materiales locales y así poder generar herramientas que conlleven estimaciones más precisas de las propiedades dinámicas empleadas en diseños y análisis de daños.

Tópico de investigación poco abordada a nivel nacional y en vías de crecimiento a nivel mundial. Buscamos evaluar implementar y proponer metodologías para obtener las curvas de retención suelo-agua (SWCC), con el fin de ser incorporadas en el diseño geotécnico y la modelación numérica aplicada. Además, buscamos dar respuesta a los problemas hidromecánicos de geo-materiales provenientes de desechos mineros que se ven afectados por los fenómenos de drenaje ácido y alto contenido de sal y cal solubles.

La ingeniería hidráulica lidia cotidianamente con problemas que involucran flujos a superficie libre, sean estos de reología newtoniana o compleja. El estudio de estos flujos ha motivado el desarrollo de modelos físicos para analizar fenómenos como flujos sobre lechos rugosos y macro-rugosos o la generación de ondas de tsunami inducidas por deslizamientos de suelo y desde ahora el estudio de flujos de fluidos no-newtonianos, que son algunos de los fenómenos que abordamos actualmente en las instalaciones existentes en el LEIC, entre ellos varios canales de pendiente variable con apoyo de instrumentación avanzada. Esta línea de investigación se ha complementado este último tiempo con simulaciones computacionales realizadas, por ejemplo, a través del uso de varios softwares como HEC-RAS, OpenFoam y Ansys-Fluent y simulación en Matlab para estudios de flujos uni, bi y tridimensionales con y sin interacción con obstáculos.

Si bien los medios granulares se encuentran omnipresentes en nuestro entorno y participan en distintos problemas de interés científico e industrial, su comprensión aún nos resulta esquiva y compleja. En particular, nos interesamos en estudiar el comportamiento de flujos de material granular en estado denso y seco y también en condición estática analizando, por ejemplo, los efectos de segregación granular sobre la movilidad de una avalancha, las fuerzas de interacción entre una avalancha granular y un muro de contención para condición mono y polidispersa o la propagación de esfuerzos en un lecho arenoso bajo un impacto gravitacional. A estos estudios se suma recientemente la medición de la fuerza de arrastre sobre intrusos que se desplazan en un cierto volumen de granos, un problema que ya lleva varias décadas en estudio y que tiene implicancias en el movimiento de especies y vehículos en ambientes desérticos.

Los fractales son objetos tan fascinantes, como complejos más comunes de lo que se creería. Estos objetos preservan su estructura geométrica a distintas escalas de observación, mostrando en las últimas décadas aplicaciones en distintas áreas del conocimiento. En particular, estudiamos cómo usar las propiedades de estos objetos para describir la complejidad topológica de las redes fluviales y urbanas de Chile. Estas redes manifiestan una gran capacidad de auto-replicarse a medida que se reduce (o incrementa) la escala de observación, un fenómeno inesperado considerando la gran cantidad de variables externas que controlan el crecimiento y difusión de estos sistemas en nuestro entorno. A la fecha ya se han realizado varios estudios en la EIC que han medido la dimensión fractal de estos sistemas, junto a otros parámetros morfológicos de interés con objeto de documentar que tales redes no crecen de forma tan aleatoria, ni desordenada como se creería.