Facultad de Ciencias e Ingeniería

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    Evaluación de la vulnerabilidad sísmica de iglesias andinas coloniales típicas a partir de análisis límite cinemático y el método N2
    (Pontificia Universidad Católica del Perú, 2021-09-21) Noel Tapia, María Fernanda; Aguilar Vélez, Rafael
    El Perú cuenta con un vasto legado de construcciones patrimoniales de adobe, siendo una de las tipologías más representativas las iglesias andinas coloniales. Estas construcciones religiosas forman parte de la historia y cultura del país, y representan una fuente económica significativa para las comunidades gracias al turismo. A pesar de la importancia de estos templos, muchos de ellos se encuentran en estado de abandono o no están siendo conservados con las técnicas adecuadas. La falta de mantenimiento sumada al alto peligro sísmico de la zona y las bajas propiedades mecánicas del material de construcción, ponen en riesgo significativo a este importante patrimonio arquitectónico peruano. Debido a ello son necesarios métodos modernos de evaluación y conservación que sean aplicables a este tipo de estructuras. Bajo este contexto, el presente estudio busca evaluar la aplicación del método N2 y el análisis límite cinemático en la evaluación de la vulnerabilidad sísmica de iglesias andinas coloniales. Para este fin, se han tomado como casos de estudio el templo de San Juan Bautista de Huaro y la iglesia San Pedro Apóstol de Andahuaylillas, ambas edificaciones ubicadas en Cusco, Perú. La evaluación se realizó considerando cuatro escenarios sísmicos, con períodos de retorno de 43, 72, 475 y 970 años, que corresponden a terremotos frecuentes, ocasionales, raros y muy raros, respectivamente. Los resultados obtenidos en la presente investigación, evidencian que el uso combinado de análisis límite cinemático y el método N2 permiten evaluar eficientemente la seguridad sísmica de este tipo de estructuras en términos de capacidad y ductilidad. En el caso de la iglesia de Huaro se demostró que los primeros mecanismos de colapso en activarse en la estructura serían el volteo de la fachada principal y el colapso parcial del tímpano. Para la iglesia de Andahuaylillas los resultados evidenciaron que los mecanismos más inseguros son el volteo fuera del plano de la fachada posterior y el colapso del muro lateral. Asimismo, se identificó que la iglesia que requiere una intervención estructural más urgente es el templo San Pedro Apóstol de Andahuaylillas ya que es vulnerable antes sismos ocasionales de 72 años de periodo de retorno, mientras que la iglesia de Huaro es insegura a partir de sismos raros de 475 años.
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    Optimization of the alkaline treatment for Agave americana fiber and its influence on the mechanical properties of fly ash-based geopolymer
    (Pontificia Universidad Católica del Perú, 2021-08-25) Rojas Clemente, Shirley Melanie; Kim de Aguilar, Suyeon; Aguilar Vélez, Rafael
    Geopolymers are good alternatives for replacing ordinary Portland cement (OPC) due to their comparable properties and feasibility to be obtained from industrial by-products. As OPC, geopolymers have superior compressive strength but a brittle behavior that the addition of fibers can improve. When the first macrocrack appears, fibers develop bridging mechanisms to allow the proper distribution of loads, so the composite can enable multiple cracks and enhance its ductility. At present, a wide range of materials can be used to reinforce cementitious matrices, from synthetics such as steel, glass, carbon, and polypropylene to natural fibers such as cotton, sweet sorghum, oil palm, coir, jute, sisal, flax, bamboo, etc. Natural fibers are among the most accepted resources to reinforce composites because they are biodegradable, renewable and generally, have a less environmental impact than their synthetic counterparts. They have low density and specific mechanical properties comparable to fibers made of glass, making them materials with a good performance-price ratio. However, their high variability of properties and hydrophilic behavior can create issues when reinforcing a matrix. Chemical treatments are used to clean chemical compounds that do not contribute to the fiber strength and favor moisture absorption. After treatment, the fiber surface increases its roughness which enhances the interlocking within the composite. This thesis investigates the mechanical properties of Agave americana fibers obtained by beating and boiling the leaves. The fibers were subjected at 1%, 5%, and 20% NaOH concentrations over 0.5 hr, 1 hr, and 3 hr and tested to determine the tensile strength. The surfaces were also analyzed by scanning electron microscopy (SEM). After treatment, most of the fibers enhanced the tensile strength and strain and 1% NaOH concentration over 1 hr was chosen as the optimum condition. Then, fibers were treated at the optimum condition and added to the geopolymer mixture at different doses: 0.5%, 0.75%, and 1% by weight of fly ash. The geopolymers were tested at compressive, flexural, and splitting tensile loads at 7 days of age. The compressive strength increased by 12% at 0.75 (wt.%) and the modulus of elasticity in compression, 13% at 1% (wt.%). Also, the tensile strength increased by 36% at 1 (wt.%). However, the flexural strength decreased probably due to the fiber length. Still, further studies are needed to understand the influence of the fiber length on the mechanical properties of geopolymers. Finally, the SEM analysis was conducted to identify the fiber failure modes.
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    Reforzamiento estructural para muros construidos con bloques estabilizados de tierra comprimida: metodología para análisis experimental
    (Pontificia Universidad Católica del Perú, 2021-08-23) Zavaleta de la Cruz, Diana Carolina; Aguilar Vélez, Rafael
    La construcción de sistemas estructurales con tierra es una técnica muy utilizada alrededor del mundo por la accesibilidad del recurso y simplicidad de producción. En el campo de la construcción con tierra, existe una serie de sistemas alternativos, entre ellos el más reciente los bloques de tierra comprimida (BTC). Estos incluyen en su proceso de fabricación estabilizantes que permiten mejorar las propiedades físicas y mecánicas de la tierra. Los bloques estabilizados de tierra comprimida (BTC-E) se presentan como una mejora de los adobes, siendo la principal ventaja el incremento de la resistencia mecánica y durabilidad aportada por el agente estabilizante. No obstante, las construcciones con BTC-E siguen siendo vulnerables ante sismos, por tanto, la presente tesis busca mejorar la capacidad sismoresistente de este tipo de albañilería con la implementación de un sistema superficial de reforzamiento sísmico. En este contexto, se propone una propuesta metodológica para la caracterización mecánica de sistemas de reforzamiento, la cual se desglosa en cuatro etapas. La primera analiza la materia prima, suelo y el refuerzo polimérico. La siguiente desarrolla un mortero estabilizados y evalúa la resistencia al agua de los morteros mediante ensayos que simulan condiciones climáticas que puedan presentarse en el país. Las últimas etapas estudian a la matriz (mortero + geomalla) de reforzamiento estructural por medio de la caracterización mecánica y la interacción entre el sistema de reforzamiento y de albañilería de BTC-E. Cada ensayo presentado es respaldado por las normativas nacionales e internacionales, como también por investigaciones previas que aseguran el propósito de ejecución. Al final de la investigación, se lleva a cabo una campaña experimental para validar las dos primeras etapas de la metodología descrita. Los resultados demostraron la adecuada selección de los ensayos y orden de ejecución para la selección de los materiales, y el desarrollo de morteros durables y compatibles con el sistema de BTC-E.
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    Intrumentación estructural de edificios en países sísmicos
    (Pontificia Universidad Católica del Perú, 2021-03-18) Felices Gilvonio, Christian Andree; Aguilar Vélez, Rafael
    Este trabajo explora la normativa internacional referida a la instrumentación sísmica de edificios y la aplicación de un sistema de procesamiento de señales sísmicas registradas en edificios instrumentados bajo la normativa de instrumentación sísmica peruana. Las normativas revisadas pertenecen a Colombia, Venezuela, Chile, Costa Rica, Turquía, Estados Unidos y Filipinas. Esta recopilación se presenta en cuadros informativos con las principales disposiciones de cada capítulo de instrumentación. Asimismo, se incluye una comparación entre las estipulaciones de una de las normativas estudiadas versus las disposiciones sugeridas por las principales guías internacionales de monitoreo sísmico de edificaciones. Finalmente, se sugieren aspectos normativos a incluir en el capítulo de instrumentación sísmica peruana propuestos en base a la información estudiada. Por otra parte, se revisan los conceptos básicos de señales sísmicas y su procesamiento. Luego, se presentan los conceptos y especificaciones técnicas de estaciones sísmicas y acelerómetros. Después, se realiza el estudio de los métodos numéricos usados para el cálculo de la respuesta dinámica de modelos de un grado de libertad y la construcción de espectros de respuesta de desplazamiento, velocidad y aceleración. Finalmente, se desarrolla un programa en LabVIEW para la construcción de espectros de respuesta y la creación de reportes automáticos con la información obtenida del evento sísmico registrado en una edificación instrumentada.
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    Evaluación estructural de construcciones masivas de tierra utilizando modelos numéricos avanzados: el caso de La Huaca de La Luna
    (Pontificia Universidad Católica del Perú, 2020-11-11) Lozano Chávez, Gonzalo André; Aguilar Vélez, Rafael
    En el Perú, una cantidad significativa de construcciones de gran valor histórico poseen una estructura de tierra. Estas construcciones son parte de nuestro patrimonio cultural y son una fuente importante de ingresos para el país debido a su valor turístico. Por estas razones es importante su preservación y asegurar un adecuado nivel de seguridad frente a eventuales movimientos sísmicosmediante una correcta evaluación de su comportamiento estructural. La presente investigación busca realizar un análisis preliminar del comportamiento estructural de una de las estructuras patrimoniales más importantes de la costa norte del Perú: la Huaca de la Luna. El estudio contempla la implementación de modelos numéricos en elementos finitos, tanto de la pirámide principal como del suelo sobre el cual se encuentra cimentada, la selección de materiales y leyes constitutivas apropiadas y la ejecución de un análisis no lineal bajo cargas de gravedad y de un análisis lineal tiempo-historia para determinar el efecto de amplificación de una señal sísmica al propagarse por los estratos de suelo. Se desarrollará un análisis paramétrico para evaluar la influencia de los cambios en la geometría causados por los daños que ha sufrido la construcción, así como de las condiciones geotécnicas de la Huaca al considerar la interacción del suelo y la estructura. La contribución de este trabajo será determinar las zonas vulnerables debido a los esfuerzos ocasionados por cargas de gravedad, y a la realización de un diagnóstico preliminar del estado de daño, así como entender el fenómeno de amplificación de ondas sísmicas en estructuras masivas de tierra. Esto se traducirá en estrategias optimizadas de intervención en el futuro. La evaluación estructural de una construcción histórica como la estudiada es un problema complejo debido al poco conocimiento de los procesos constructivos de la época, así como por la variabilidad de las propiedades mecánicas de los materiales y el deterioro sufrido con el paso de los años. Por esta razón, se tomarán como base estudios experimentales previos hechos en la Huaca, entre los que se encuentran la caracterización mecánica de los materiales, estudios geotécnicos y geofísicos, y ensayos de identificación modal. Los resultados de estos estudios serán complementados con modelos numéricos en elementos finitos. Se espera que estos modelos ayuden a identificar las zonas vulnerables en el caso de estudio, así como a comprender el estado actual de daño, y a predecir la amplificación de la aceleración experimentada en el suelo firme a través de la propagación de ondas en el sistema suelo-estructura. Posteriormente, se podrá cuantificar el efecto que produce considerar los cambios en la geometría debido al daño y la interacción suelo- estructura al evaluar su vulnerabilidad sísmica.
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    Aplicación de termografía infrarroja para el diagnóstico estructural de edificaciones históricas de adobe y quincha
    (Pontificia Universidad Católica del Perú, 2020-07-23) Siva Mondragón, Guido Leonardo; Aguilar Vélez, Rafael
    Las propuestas de intervención y restauración que garanticen la conservación de una edificación histórica deben estar orientadas a solucionar los problemas detectados en un diagnóstico estructural previo. El uso de métodos no destructivos durante la ejecución del diagnóstico estructural es recomendable debido a su carácter no invasivo. Dentro de este tipo de métodos se encuentra la termografía infrarroja que tiene la ventaja de proporcionar información en tiempo real y no requerir un contacto directo con la superficie estudiada. El objetivo de la presente tesis es explorar una herramienta de diagnóstico estructural no destructiva mediante el uso de termografía infrarroja pasiva y activa desde un enfoque cualitativo. Para alcanzar este fin se realizó una revisión bibliográfica de la aplicación de termografía infrarroja en ingeniería civil. Además, se realizaron ensayos de termografía infrarroja pasiva y activa en dos casos de estudio en laboratorio para evaluar las ventajas que proporcionan ambos métodos en la visualización de inserciones y anomalías estructurales. Luego, se formularon protocolos de ensayos de termografía infrarroja pasiva y activa, recolección de datos y post-procesamiento de datos (integración de la termografía infrarroja con fotogrametría). Por último, los protocolos propuestos fueron validados mediante su uso en el diagnóstico estructural de una casona de adobe y quincha del siglo XX ubicada en Lima y la fachada de un módulo de adobe. Los resultados obtenidos muestran que la termografía infrarroja se presenta como una útil herramienta de diagnóstico estructural para estudiar anomalías superficiales y sub-superficiales, visualizar sistemas estructurales como la quincha y detectar cambios de material. Por otro lado, la integración de termografía infrarroja con fotogrametría demostró ser capaz de proveer información espacial de las anomalías detectadas en los termogramas y posibilita diferenciarlas de irregularidades geométricas. Finalmente, los protocolos propuestos demostraron ser herramientas que facilitan la ejecución de ensayos de termografía infrarroja y que podrían ser empleados por profesionales involucrados en el ámbito del estudio y conservación de patrimonio cultural.
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    Metodología de evaluación visual rápida para determinar la vulnerabilidad sísmica en las iglesias coloniales: aplicaciones en Cusco, Perú
    (Pontificia Universidad Católica del Perú, 2018-06-15) Mendes Vila-Chã, Ana Eduarda; Aguilar Vélez, Rafael; Moreira, Susana
    Cusco es una de las ciudades en el Perú que ostenta un gran número de patrimonio histórico y arquitectónico. Las iglesias en estudio son templos coloniales construidos entre los siglos XVI y XVIII y presentan una riqueza arquitectónica cusqueña muy basta donde se puede observar la unión sincrética de dos diferentes culturas. El material utilizado en su construcción fue adobe o piedra y las técnicas utilizadas fueron precarias, presentando así vulnerabilidad estructural. La vulnerabilidad estructural que asociada al hecho de que del país presenta una gran actividad sísmica podrá incrementar el riesgo para las poblaciones o mismo la perdida de patrimonio. En ese sentido, el presente proyecto tiene como objetivo desarrollar y probar una metodología rápida y visual de evaluación previa al terremoto. Esta metodología nos permitirá hallar el índice de daño esperado de las iglesias con base en la identificación de su vulnerabilidad sísmica. La metodología consiste en la definición de la influencia sísmica según 14 parámetros verificando el análisis global, el local, el estado de conservación y los elementos no estructurales. Dado que Cusco es una ciudad con un gran número de iglesias, esta metodología presenta la ventaja inminente de ser rápida. Con los resultados obtenidos se establecerá una lista de prioridades para, así, determinar las iglesias que ameritan una evaluación más profunda, como por ejemplo, un estudio con métodos numéricos.
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    Caracterización mecánica del concreto usando ensayos no destructivos de resonancia por impacto y vibración ambiental
    (Pontificia Universidad Católica del Perú, 2016-09-24) Gonzales Paliza, Edson Mauricio; Aguilar Vélez, Rafael
    Este trabajo explora el manejo de métodos no destructivos para la caracterización mecánica y evaluación de la calidad de concretos de mediana resistencia. Los métodos no destructivos tomados en cuenta para esta investigación fueron el ensayo de resonancia por impacto y el ensayo de vibración basado en respuestas ambientales. Los ensayos de resonancia por impacto fueron comparados con el ensayo de resistencia a la compresión en dos campañas experimentales. La primera campaña se llevó a cabo en 20 especímenes de concreto fabricados y curados en laboratorio, con el propósito de realizar un monitoreo continuo del desarrollo del módulo de elasticidad dinámico del concreto en el tiempo. En la segunda campaña, se evaluaron 265 especímenes provenientes de diferentes proyectos de la ciudad de Lima, con finalidad de obtener una correlación entre el módulo de elasticidad dinámico y la resistencia a la compresión. Las correlaciones preliminares fueron validadas en 181 especímenes adicionales. Por otra parte, los ensayos de vibración ambiental se aplicaron para monitorear de forma continua el desarrollo del módulo de elasticidad estático del concreto desde el momento del vaciado. Estos resultados se compararon con los obtenidos en laboratorio a través del método tradicional de lectura del módulo de elasticidad de cuerda. Además se analizó la relación entre el módulo de elasticidad dinámico y el módulo de elasticidad estático del concreto. La aplicación de ensayos no destructivos son de gran interés en el campo de la mecánica de materiales. En el caso del concreto permiten determinar algunas propiedades mecánicas, desde edades muy tempranas, de forma rápida y sin la necesidad de realizar largas y costosas campañas de laboratorio.
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    Evaluación estructural de construcciones históricas en la costa peruana utilizando tecnologías modernas: el caso del hotel "El Comercio" en Lima
    (Pontificia Universidad Católica del Perú, 2013-10-14) Chácara Espinoza, César Javier; Aguilar Vélez, Rafael
    La conservación de construcciones históricas es de gran importancia no solo por aspectos culturales sino también económicos. Este tipo de construcciones forman parte del patrimonio cultural del mundo y a la vez son una fuente de ingreso debido a la actividad turística que generan. Las culturas que se desarrollaron siglos atrás en el Perú dejaron como legado una gran cantidad de construcciones históricas. La falta de mantenimiento y monitoreo permanente en este tipo de construcciones, acompañada con la ocurrencia de movimientos sísmicos y otros fenómenos naturales como lluvias e inundaciones, ponen en riesgo su estabilidad y podrían ocasionar su desaparición. En esta tesis se presenta una herramienta para la evaluación estructural de construcciones existentes que son los ensayos experimentales de identificación modal. Estos ensayos tienen como finalidad la de estimar el comportamiento real de las estructuras mediante la identificación de sus propiedades dinámicas (frecuencias, amortiguamiento y modos de vibración). Estos ensayos son de gran utilidad para el estudio de construcciones históricas porque se alinean con las filosofías modernas de conservación ya que son experimentos no destructivos en los cuales se usa solo el ruido ambiental como fuente de excitación de la estructura. En la costa del Perú, la construcción en la época del virreinato (siglo XVI – XIX) consistió básicamente de muros de adobe y quincha. Inicialmente, con la llegada de los españoles (siglo XVI), se decidió reconstruir la ciudad empleando principalmente adobe como material de construcción. Sin embargo, después del terremoto de 1746, la tendencia del uso de adobe cambió debido a los efectos devastadores y pérdida de vidas que se produjeron en este tipo de construcciones. A partir del siglo XVIII, se empezó a utilizar un sistema de construcción mixto en base a madera, caña y barro el cual se conoce como quincha. A partir del mismo siglo, se decidió limitar el uso de adobe solo para el primer nivel y se utilizó quincha para los niveles superiores de las construcciones. El caso de estudio de esta tesis es el hotel “El Comercio”, una construcción de tres pisos del siglo XIX de adobe y quincha la cual está ubicada frente al Palacio de Gobierno y a una cuadra de la Plaza de Armas de Lima. Los ensayos de identificación modal permitieron estimar experimentalmente nueve modos de vibración, con sus respectivas frecuencias y amortiguamientos. A partir de los resultados experimentales se pudo apreciar que una de las fachadas del edificio tiene un comportamiento diferente al resto de la estructura lo cual es un indicador de daño. Para complementar la evaluación estructural del hotel, se construyó un modelo numérico en elementos finitos en el cual se modelaron los muros y el sistema de entrepiso de la estructura. A partir de los resultados experimentales y el modelo numérico, se realizó un proceso de calibración preliminar para completar la evaluación estructural. Los resultados muestran la dificultad de realizar modelos numéricos precisos en construcciones que presentan daño extenso con condiciones de frontera y características mecánicas de los materiales inciertas. Se muestra que también la utilidad de los estudios experimentales ya que con ellos se consiguió caracterizar apropiadamente la respuesta real de la edificación.