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1-G physical modeling of dynamic soil-structure interaction for semi-buried structures using continuous monitoring in space and time
(2022) Segaline Bustamante, Hugo Javier; Sáez Robert, Esteban; Pontificia Universidad Católica de Chile. Escuela de Ingeniería
La interacción dinámica suelo-estructura (DSSI) ha sido un tema de gran interés durante las últimas décadas. Varias investigaciones han demostrado la importancia de considerar el suelo como parte del diseño estructural, ya que la respuesta de la estructura puede estar fuertemente influenciada por el suelo en función de sus características. Por el contrario, en la práctica común se suele despreciar los efectos del DSSI pues se asume que es una hipótesis invariablemente conservadora, sin embargo, varios estudios revelan que esta hipótesis no es necesariamente cierta ya que hay varios factores a considerar. Por ello, a lo largo del tiempo se han desarrollado diferentes estrategias, ya sea de modelización numérica, analítica o física, para estudiar distintos aspectos del fenómeno DSSI. Esta investigación se basa en el desarrollo de un nuevo dispositivo de caja laminar capaz de simular las condiciones de contorno lateral del suelo. La principal característica de este contenedor laminar es la transparencia de su parte frontal, lo que permite una visualización completa del suelo y su interacción con las estructuras semienterradas considerando un análisis 2D a través de la técnica de correlación de imágenes digitales (DIC). Además, la distribución de la presión dinámica se obtuvo mediante un sensor táctil, que permite correlacionar las imágenes de desplazamiento con el patrón de presión en las diferentes estructuras parcialmente enterradas. Para el caso de los pisos subterráneos de edificios de muros de corte, se verificaron los efectos de interacción cinemática y su relación con la fuerza ejercida sobre estos muros. Para el caso de muros de contención, se evaluó la variación en el tiempo de la forma de la cuña activa como función de la amplitud del movimiento dinámico. Finalmente, tanto para los muros subterráneos como para los muros de contención, se presenta la distribución de presiones para diferentes configuraciones de diseño en términos de profundidad de enterramiento y contenido frecuencial de la carga.
3D modeling of dynamic soil-structure interaction in shear wall buildings with basements in medium stiffness sandy soils using spectral element method : the case of Viña del Mar, Chile
(2020) Ayala Sanhueza, Felipe Esteban; Sáez Robert, Esteban; Pontificia Universidad Católica de Chile. Escuela de Ingeniería
Se presenta una estrategia de modelación de la interacción dinámica suelo-estructura (DSSI) utilizando el método de elementos espectrales (SEM) con un enfoque Galerkin discontinuo. Se desarrollan modelos estructurales de dos edificios de muros de corte con subterráneos en suelos arenosos medianamente densos. Se realizan mediciones de vibraciones ambientales, utilizando arreglos tridimensionales de múltiples sensores sísmicos, a fin de estimar la respuesta modal empírica y calibrar el subdominio estructural. Posteriormente, se lleva a cabo un proceso de optimización para calibrar modelos volumétricos de las estructuras. Esta optimización se realiza preservando las frecuencias y formas modales más relevantes, para lograr una respuesta dinámica equivalente. Una vez calibrados los modelos estructurales, se ubican sobre un subdominio de suelo y se evalúan parámetros ingenieriles relevantes mediante simulaciones de modelos sometidos a una excitación de onda plana, aproximando el comportamiento no lineal del suelo mediante un enfoque lineal equivalente. En general, los resultados indican que la DSSI causa efectos significativos en la respuesta estructural y depende en gran medida del contenido en frecuencia del input. La inclusión de la DSSI está relacionada con una reducción de las derivas de entrepiso al ser corregidas por el rocking de la losa de fundación, que incluye su flexibilidad, además de elongación del período de la estructura, y una disminución significativa del corte de piso en comparación con la respuesta inducida en los modelos de base fija.
Análisis de la falla ocurrida en el molo del puerto de Iquique durante el terremoto MW8.2 de 2014
(2018) Morales Bravo, Camilo Ignacio,; Ledezma Araya, Christian Alfonso; Sáez Robert, Esteban; Pontificia Universidad Católica de Chile. Escuela de Ingeniería
En este trabajo se estudia la falla sísmica de un antiguo muelle del Puerto de Iquique ocurrida durante el terremoto Mw 8.2 del 1 de abril de 2014 en Pisagua. Para caracterizar los materiales que componen el muelle se realizó una campaña de exploraciones basada en sondajes, geofísica mediante caracterización de dispersión de ondas de superficie y ensayos de penetración de cono. La información y datos obtenidos son analizados para generar un modelo geotécnico bidimensional de dos secciones transversales del muelle en el software Plaxis2D®, para determinar cuál fue el mecanismo de falla más probable. Los resultados obtenidos son comparados con las deformaciones medidas en diferentes secciones transversales del muelle, indicando que la falla puede ser explicada por un efecto combinado de las grandes fuerzas inerciales que actúan sobre los muros de contención, la inestabilidad bajo condiciones dinámicas de los prismas de enrocado bajo los muros de contención, y también por el efecto del incremento de las presiones laterales del suelo.
Aplicación de métodos geofísicos basados en ondas superficiales para la caracterización sísmica de suelos : aplicación a la microzonificación sísmica del norte y poniente de Santiago
(2013) Humire Guarachi, Francisco Alejandro.; Sáez Robert, Esteban; Pontificia Universidad Católica de Chile. Escuela de Ingeniería
Existen métodos geofísicos no invasivos que permiten inferir las propiedades dinámicas de un sitio. Los métodos sísmicos basados en ondas superficiales son comúnmente usados para determinar las propiedades elásticas de los suelos, pero al ser métodos indirectos, existe un grado de incertidumbre importante que requiere ser estudiado. El principal objetivo de esta investigación es estudiar la aplicación del análisis multi-canal de ondas superficiales en sus variantes activa y pasiva, para obtener el perfil de velocidades de ondas de corte en diferentes tipos de suelos. El análisis espectral frecuencia-número de onda (f-k) y el método de autocorrelación espacial (SPAC) son utilizados para evaluar las propiedades dispersivas de cada sitio, mientras que el algoritmo del vecindario es usado para resolver el problema inverso asociado y así obtener el perfil de velocidades de ondas de corte.
Computational upscaling of 1-g physical test of semi buried buidings and retaining systems to study dynamically induced earth pressures
Zamorano Véliz, Francisco Javier; Sáez Robert, Esteban; Pontificia Universidad Católica de Chile. Escuela de Ingeniería
Esta investigación presenta una evaluación experimental de la interacción dinámica sueloestructura (DSSI por sus siglas en inglés) para edificios construidos con muros de corte bajo diferentes configuraciones de altura y número de subterráneos. También se presenta el caso de muros de excavaciones no arriostrados parcialmente enterrados. Modelos físicos a escala reducida fueron realizados en una caja laminar sobre una mesa vibradora. La principal característica de la caja laminar es que posee uno de sus costados transparentes. Estos ensayos fueron sometidos a cargas dinámicas caracterizadas por ondas Ricker. Posteriormente, estos ensayos fueron reproducidos mediante modelos computacionales de elementos finitos que fueron calibrados tomando como referencia los resultados de los modelos físicos constituyendo un gemelo digital. Luego de hacer esta calibración, los modelos computacionales fueron llevados a la escala de prototipo, con el objetivo de evaluar su comportamiento a un nivel de tensiones más realista. Los resultados muestran en general que los edificios en escala aumentada tienen una respuesta consistente con las leyes de escalamiento, como, por ejemplo, la distribución de presiones del suelo sobre los subterráneos, tanto estática como dinámica. El movimiento de los edificios en general presenta una respuesta mucho más amortiguada en comparación con el movimiento esperado en base a los modelos originales. Finalmente, los edificios con escala aumentada fueron sometido a registros sísmicos reales, para comparar el empuje lateral sobre los subterráneos frente a la normativa vigente. Estos resultados muestran un aumento del empuje en función de la masa de la superestructura, lo cual no se ve reflejado en los parámetros normativos actuales.
Evaluación cuantitativa de efectos de sitio 3D producto de la variabilidad natural del suelo utilizando el método de elementos espectrales : aplicación en la ciudad de Arica.
(2016) Muñoz Labra, Álvaro Ignacio; Sáez Robert, Esteban; Pontificia Universidad Católica de Chile. Escuela de Ingeniería
Chile, yace sobre el contacto que existe entre las placas Sudamericana y de Nazca, desde Arica por el norte a la Península de Taitao en el sur.Esto lo convierte en uno de los países más sísmicos del mundo. Dado este contexto es necesario poseer herramientas útiles al momento de evaluar la amenaza sísmica de un lugar en particular. En los últimos años, varios trabajos se han llevado a cabo con el propósito de estudiar las propiedades dinámicas de los suelos de fundación en las ciudades más pobladas del norte de Chile, motivados por la laguna sísmica de 136 años en dicha zona, la cual fue interrumpida el 1de abril de 2014 con el terremoto de Pisagua Mw = 8:2 (Barrientos, 2014). El objetivo de este trabajo es realizar una estimación, mediante modelación numérica, de la variabilidad espacial de la amplificación sísmica producto de la heterogeneidad natural de las propiedades dinámicas de los suelos en una zona de gran densidad demográfica de la ciudad de Arica. La información de la distribución de propiedades fue recopilada a través de una detallada campaña geofísica, la que incluyó métodos basados en el registro de ondas de superficie y gravimetría. Para estimar los efectos de sitio, se resuelve la ecuación de propagación de ondas en medios heterogéneos a través del Método de Elementos Espectrales. Dicho método permite incluir la topografía, la superficie irregular de contacto entre el suelo y la roca así como la distribución heterogénea de las principales propiedades mecánicas en el medio discretizado. El comportamiento inelástico de los suelos fue considerado incorporando curvas de degradación de la rígidez e incremento del amortiguamiento. Los cálculos se llevaron acabo utilizando el programa de código abierto ”SPEED” (Mazzieri et al.,2013). Los resultados de la distribución del PGA (Peak Ground Acceleration), y otros indicadores de movimiento fuerte, son comparados frente a resultados demo de los estándar 1D de capas estratificadas horizontalmente en el dominio de las frecuencias. Los resultados de los modelos visco elásticos muestran que la zona norte de la ciudad de Arica no presenta importantes efectos de sitio biotridimensioales producto de la geometría de la cuenca sedimentaria. Aunque ciertos efectos interesantes salen a la luz al utilizar modelos que degraden el material según la deformación impuesta por el sismo. En general en la zona norte de la ciudad de Arica bastaría con modelos simplificados para evaluar la amplificación sísmica de una localidad en particular. Este efecto no puede ser generalizado a otras áreas como la zona sur, donde la anomalía de gravedad y la geofísica de ondas superficiales permite intuir un basamento con una geometría más compleja.
Hydromechanical behavior of filtered copper tailing under static and cyclic loading in unsaturated condition
(2023) Gallardo Sepúlveda, Ricardo Ignacio; Sáez Robert, Esteban; Pontificia Universidad Católica de Chile. Escuela de Ingeniería
Se considera que los depósitos de relaves filtrados tienen una estabilidad mecánica superior que otras alternativas, porque funcionan en estado no saturado. Sin embargo, en las últimas dos décadas, dado el incremento en las alturas alcanzadas y su uso en países sísmicos como Chile, se requiere avanzar en la comprensión de su comportamiento hidromecánico ante carga monótonas como cíclicas. Este trabajo pretende contribuir a la comprensión del comportamiento de este tipo de relaves mediante; (i) el estudio de el de los efectos de la auto-compactación por preso propio sobre la rigidez y la resistencia al corte a través de ensayos de laboratorio no saturados, (ii) el análisis del efecto de las tasas de deposición sobre la estabilidad global y los incrementos de saturación a través de modelación en elementos finitos y (iii) la evaluación del incremento de la presión de agua y aire en los poros y sus efectos sobre una potencial falla de flujo o propensión a la licuación. Los resultados muestran que (i) el efecto de la succión ante cargas drenadas genera incrementos de la resistencia al corte y de la rigidez hasta el 600%, sin embargo, tiende a desaparecer a medida que aumenta el confinamiento, alcanzando hasta el 95% de grado de saturación, (ii) la potencial generación de una superficie de falla en depósitos simulados computacionalmente ocurre cuando el suelo alcanza un grado de saturación del orden del 65% al 70% y es independiente de las tasas de deposición, la inclinación del talud y la altura de la pila y (iii) la succión matricial bajo carga monótona y cíclica para una condición no drenada disminuye durante la fase de corte y por lo tanto progresivamente se va generando una transición hacia la condición totalmente saturada. Por otro lado, la relación de resistencia cíclica (CSR) aumenta hasta el 57.8%, sin embargo, la probeta pierde continuidad cuando se alcanza una deformación volumétrica superior al 2.5%.
Modelación numérica del comportamiento mecánico de lastres mineros
(2013) Cabezas González, Rodolfo Enrique; Sáez Robert, Esteban; Pontificia Universidad Católica de Chile. Escuela de Ingeniería
La gran minería a Cielo Abierto en Chile produce diariamente miles de toneladas de mineral y el volumen de roca estéril que debe ser removido para llegar al yacimiento representa un gran desafío del punto de vista de la ingeniería. Todo este material generado actualmente se vierte en grandes depósitos, que pueden llegar a tener cientos de metros de altura, lo que genera grandes presiones de confinamiento a nivel basal, provocando rotura de partículas. Este tipo de construcción es conocido en la especialidad como Depósitos de Lastre o botaderos de estériles.
Modelación numérica estática y dinámica de un depósito de lastre incorporando ruptura de partículas
(2015) Sanz List, Felipe Andrés; Sáez Robert, Esteban; Pontificia Universidad Católica de Chile. Escuela de Ingeniería
Una operación minera a cielo abierto en Chile puede producir más de 200.000 toneladas de estéril por día, material que se deposita por volteo en accidentes geográficos formando los denominados depósitos de lastre. En Los Andes, Chile, estas condiciones geográficas corresponden a valles estrechos y de alta pendiente basal, en donde el espacio para acopiar material es bastante limitado, por lo que la acumulación de estéril puede alcanzar espesores superiores a 500 metros respecto al terreno natural. Un fenómeno común observado en estos depósitos es la rotura de partículas, asociada a las tensiones elevadas producto del espesor del material acopiado. Hoy en día la modelación de estas obras es simplificada porque no incorporan la rotura de partículas, entre otros aspectos, y conllevan un grado de incerteza respecto al comportamiento mecánico real observado. Estudiar este fenómeno contribuirá en el mejor entendimiento del comportamiento mecánico de estos depósitos. En esta investigación, se modela la construcción y respuesta sísmica de un depósito incorporando el fenómeno de rotura de partículas, para lograr modelar un comportamiento más realista de estas obras. Primero, se calibran dos modelos constitutivos complejos para el material estéril: (1) Hujeux, que no considera rotura de partículas, y (2) Daouadji, que incorpora este fenómeno mediante el trabajo plástico del esqueleto sólido. Luego, se modela la construcción mediante un crecimiento realista, etapa a etapa. Finalmente, se analiza la respuesta sísmica de la obra construída con estos modelos constitutivos, clarificando la relevancia del fenómeno de ruptura en la respuesta global del depósito.
Numerical modeling of cracking pattern's influence on the dynamic response of thickened tailings disposals : a periodic approach
(2018) Ferrer, Gabriel; Sáez Robert, Esteban; Ledezma Araya, Christian Alfonso
Numerical study of the arching effect using the discrete element method.
(2014) Salazar Vásquez, Antonio Felipe; Sáez Robert, Esteban; Pontificia Universidad Católica de Chile. Escuela de Ingeniería
En el presente trabajo, el denominado “efecto arco” fue reproducido mediante un modelo numérico del ensayo Trapdoor descrito por Terzaghi usando el Método de Elementos Discretos (DEM) tridimensionales. Esta metodología representa el suelo como un conjunto de partículas, reproduciendo su respuesta macroscópica mediante las interacciones micro-mecánicas entre partículas individuales. Uno de los propósitos de este trabajo es estudiar la capacidad de esta metodología para reproducir el efecto arco, el cual consiste en un mecanismo que ocurre naturalmente en suelos producto de la redistribución de tensiones hacia zonas más rígidas cuando existe reacomodamiento de partículas debido a desplazamientos impuestos a parte del soporte del sistema. En una etapa previa de este estudio, se ensayó en el laboratorio una prueba Trapdoor instrumentada con celdas de carga y la técnica de la Correlación de Imágenes Digitales (DIC). El campo de desplazamiento y el perfil de cargas en la base obtenido con esta instrumentación, se compara a los resultados de la modelación DEM. La calibración de los parámetros micro-mecánicos fue realizada mediante ensayos de corte directo, usando una distribución de tamaño de partículas similar a la granulometría real. Para estudiar el efecto que tienen los parámetros y la densidad inicial, se realizó un análisis de sensibilidad con dos probetas con diferentes índices de vacíos. Aprovechando las ventajas de esta metodología discontinua, como la capacidad de rastrear el desplazamiento y fuerzas de contacto entre partículas, se realizó un análisis de la migración de partículas fuera del plano de corte y de la rotación de las fuerzas intergranulares. Debido al alto costo computacional, se estudió la respuesta de curvas granulométricas escaladas, para disminuir los tiempos de cálculo sin perder la representatividad del fenómeno. En general, se obtuvo una buena correlación entre los resultados experimentales y numéricos en términos de la tensión de corte, pero la respuesta en dilatancia fue difícil de replicar.En el presente trabajo, el denominado “efecto arco” fue reproducido mediante un modelo numérico del ensayo Trapdoor descrito por Terzaghi usando el Método de Elementos Discretos (DEM) tridimensionales. Esta metodología representa el suelo como un conjunto de partículas, reproduciendo su respuesta macroscópica mediante las interacciones micro-mecánicas entre partículas individuales. Uno de los propósitos de este trabajo es estudiar la capacidad de esta metodología para reproducir el efecto arco, el cual consiste en un mecanismo que ocurre naturalmente en suelos producto de la redistribución de tensiones hacia zonas más rígidas cuando existe reacomodamiento de partículas debido a desplazamientos impuestos a parte del soporte del sistema. En una etapa previa de este estudio, se ensayó en el laboratorio una prueba Trapdoor instrumentada con celdas de carga y la técnica de la Correlación de Imágenes Digitales (DIC). El campo de desplazamiento y el perfil de cargas en la base obtenido con esta instrumentación, se compara a los resultados de la modelación DEM. La calibración de los parámetros micro-mecánicos fue realizada mediante ensayos de corte directo, usando una distribución de tamaño de partículas similar a la granulometría real. Para estudiar el efecto que tienen los parámetros y la densidad inicial, se realizó un análisis de sensibilidad con dos probetas con diferentes índices de vacíos. Aprovechando las ventajas de esta metodología discontinua, como la capacidad de rastrear el desplazamiento y fuerzas de contacto entre partículas, se realizó un análisis de la migración de partículas fuera del plano de corte y de la rotación de las fuerzas intergranulares. Debido al alto costo computacional, se estudió la respuesta de curvas granulométricas escaladas, para disminuir los tiempos de cálculo sin perder la representatividad del fenómeno. En general, se obtuvo una buena correlación entre los resultados experimentales y numéricos en términos de la tensión de corte, pero la respuesta en dilatancia fue difícil de replicar.En el presente trabajo, el denominado “efecto arco” fue reproducido mediante un modelo numérico del ensayo Trapdoor descrito por Terzaghi usando el Método de Elementos Discretos (DEM) tridimensionales. Esta metodología representa el suelo como un conjunto de partículas, reproduciendo su respuesta macroscópica mediante las interacciones micro-mecánicas entre partículas individuales. Uno de los propósitos de este trabajo es estudiar la capacidad de esta metodología para reproducir el efecto arco, el cual consiste en un mecanismo que ocurre naturalmente en suelos producto de la redistribución de tensiones hacia zonas más rígidas cuando existe reacomodamiento de partículas debido a desplazamientos impuestos a parte del soporte del sistema. En una etapa previa de este estudio, se ensayó en el laboratorio una prueba Trapdoor instrumentada con celdas de carga y la técnica de la Correlación de Imágenes Digitales (DIC). El campo de desplazamiento y el perfil de cargas en la base obtenido con esta instrumentación, se compara a los resultados de la modelación DEM. La calibración de los parámetros micro-mecánicos fue realizada mediante ensayos de corte directo, usando una distribución de tamaño de partículas similar a la granulometría real. Para estudiar el efecto que tienen los parámetros y la densidad inicial, se realizó un análisis de sensibilidad con dos probetas con diferentes índices de vacíos. Aprovechando las ventajas de esta metodología discontinua, como la capacidad de rastrear el desplazamiento y fuerzas de contacto entre partículas, se realizó un análisis de la migración de partículas fuera del plano de corte y de la rotación de las fuerzas intergranulares. Debido al alto costo computacional, se estudió la respuesta de curvas granulométricas escaladas, para disminuir los tiempos de cálculo sin perder la representatividad del fenómeno. En general, se obtuvo una buena correlación entre los resultados experimentales y numéricos en términos de la tensión de corte, pero la respuesta en dilatancia fue difícil de replicar.
Seismic response of a pile-supported excavation on Santiago gravel
(2015) Sáez Robert, Esteban; Pardo, G. S.; Ledezma Araya, Christian Alfonso
Use of machine learning techniques for the estimation of the seismic susceptibility and the quantitative assesment of the seismic hazard. Application to the maipo river basin, Chile
(2021) Díaz Fernández, Juan Pablo; Sáez Robert, Esteban; Pontificia Universidad Católica de Chile. Escuela de Ingeniería
La amplificación sísmica de sitios y los mapas de amenaza sísmica son insumos cruciales para la toma de decisiones y evaluación del riesgo en lugares donde la sismicidad impone un riesgo significativo para la vida humana y la infraestructura. En Chile, uno de los países con mayor actividad sísmica de la Tierra, las técnicas de vanguardia utilizadas para construir mapas de amenaza sísmica se basan principalmente en datos geológicos cualitativos o indirectos, con una consideración limitada de los parámetros dinámicos que dictan la respuesta sísmica del sitio. En este trabajo, proponemos una metodología novedosa para la integración de datos de naturaleza cualitativa y cuantitativa para mapear la susceptibilidad sísmica y la amplificación dinámica mediante aprendizaje automático (AA). Nuestro método utiliza mediciones de velocidades de onda de corte superficial (Vs30) y frecuencias predominantes (f0) en sitios aleatoriamente distribuidos, combinados con mapas de anomalía gravimétrica para para actualizar la extensión geográfica de las unidades de amplificación sísmica. Seleccionamos la Cuenca del Río Maipo como nuestra región de prueba para este modelo debido a su importancia estratégica y a la numerosa población e infraestructura critica expuestas a amenazas sísmicas. La aplicación de este método al caso de estudio resultó en (i) un mapa de susceptibilidad sísmica refinado, y (ii) mapas de Vs30 y f0 estimados con gran precisión en el área de estudio. Las mejores predicciones, obtenidas mediante técnicas de AA y validadas mediante validación cruzada, se deben posiblemente a la inclusión de covariantes espaciales en el entrenamiento de los algoritmos, mejorando la capacidad del modelo para capturar las correlaciones espaciales entre datos geológicos, geofísicos y geotécnicos. La estimación de las frecuencias predominantes es considerablemente mejorada al incluir la gravedad como covariante. La precisión de las predicciones de f0 aparentemente depende más de la elección de las covariantes que del algoritmo utilizado, mientras que las predicciones de Vs30 son más sensibles al algoritmo escogido. Estos resultados ilustran el gran potencial de los algoritmos predictivos de aprendizaje automático en el mapeo digital de suelos, que superan a las técnicas geoestadísticas tradicionales. Adicionalmente, y usando las mejores predicciones, se generaron mapas de amenaza sísmica para el caso de estudio, a través de un software de acceso libre diseñado para generar indicadores de movimiento fuerte para diferentes modelos de sismicidad y ecuaciones de predicción de movimiento de suelo bajo distintos escenarios. La principal contribución de este trabajo es introducir una metodología novedosa de estimación basada en modelos de inteligencia artificial para extender mediciones locales de las propiedades dinámicas de los sitios en un área de interés. Esta información se puede utilizar para estimar cuantitativamente la amenaza sísmica a una escala regional.

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