Ingeniería Civil con mención en Diagnóstico y Reparación de Construcciones Patrimoniales y Existentes

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3D printing for construction: development of earth-based matrices stabilized with chitosan biopolymer and reinforced with natural sisal fibers
(Pontificia Universidad Católica del Perú, 2024-02-05) Zavaleta de la Cruz, Diana Carolina; Kim De Aguilar, Suyeon
In the last few years, 3D printing with robots or automated equipment has emerged as a technology with significant potential in the construction sector. This approach offers several advantages, including reduced construction time and costs, design flexibility, and the ability to use various materials. Earth, as a building material, has gained attention in 3D printing due to its eco-friendliness compared to cement. However, it remains relatively underexplored in this industry. Unfortunately, earth is known for its poor mechanical strength, water durability, and susceptibility to swelling, especially due to its clayey composition. These factors can lead to cracking during the drying process. To address these challenges, researchers have been investigating different materials for 3D printing, aiming to minimize the ecological footprint by using biodegradable materials or repurposing waste for stabilization. Recent studies have explored the use of biopolymers such as chitosan, alginate, and potato starch to enhance the mechanical and durability properties of earth-based mixtures. Additionally, the incorporation of natural fibers like sisal or jute has proven effective in reducing cracking in earthen structures. Considering the above, it would be advantageous for the construction industry to employ 3D printing to produce earth-based matrices stabilized with biopolymers and reinforced with natural fibers. Designing such matrices requires an approach that accounts for the yield stress suitable for 3D printing, ensuring the mixture possesses key printability characteristics such as extrudability, workability, and buildability. The evaluation of these properties in the fresh state, during hardening, and in the hardened state necessitates conducting various tests recommended by international standards and researchers. In order to outline a procedure for obtaining a printable matrix that meets the desired mechanical strength and water durability, a methodology is proposed for developing earth-based matrices stabilized with chitosan and reinforced with sisal fibers. This methodology consists of three stages. The first stage involves conducting physical, mechanical, chemical, and mineralogical analyses of the raw materials: soil, chitosan, and sisal fibers. The second stage encompasses an optimized procedure to obtain potentially printable earth-based matrices through laboratory testing using a pastry bag. Finally, the validated earth matrix from the previous stage undergoes 3D printing to create different specimens, allowing for the evaluation of extrudability, pumpability, buildability, and mechanical strength of the mixture. The printing process utilizes a motion-controlled gantry robot with three degrees of freedom in a printing area with a volume of 1.0 m³ and employs a progressive delivery system.
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Aplicación de la enzima ureasa en la estabilización de suelos y la auto-reparación de matrices empleadas en impresión 3D
(Pontificia Universidad Católica del Perú, 2024-02-07) Rojas Morales, Omar Antonio Giovanni; Kim De Aguilar, Suyeon
Aún con los constantes avances en la industria de la construcción, existen puntos clave que continúan siendo relevantes en la toma de decisiones para el diseño y ejecución de un proyecto. Puntos como la selección de un suelo apropiado para cada tipo de proyecto. Ahora bien, uno de los principales impedimentos está relacionado a no poder obtenerse un suelo adecuado que permita garantizar la estabilidad y durabilidad que se requiere. Si a esta problemática le añadimos que, la constante demanda en infraestructura a nivel mundial exige a su vez un incremento en la demanda del hormigón, cuya producción contribuye en la emisión de gases de efecto invernadero y alternativas como la implementación de impresión 3D aplicada a la industria de la construcción introduce varios retos de ingeniería desde el punto de vista de los materiales. La búsqueda de una manera apropiada de estabilizar el suelo, así como poder generar la capacidad de auto-reparación en los elementos impresos, se traduce en una necesidad que requiere pronta atención. Esta tesis propone el desarrollo de una metodología para estabilizar el suelo y para auto-reparar matrices empleadas en impresión 3D catalizadas por la enzima ureasa. De los resultados adquiridos para la estabilización de suelos, la evaluación de durabilidad frente a la erosión por agua nos indicó que la mezcla de suelo modificado con CaCl2-urea con concentración equimolar de 1 M y solución enzimática de 5 U, presenta una pérdida de masa de sólo el 18.35 %, en comparación con la erosión completa de la muestra en el agua en el caso de la mezcla de suelo con agua. Por su parte, el ensayo de compresión indicó que el uso de una solución enzimática afectó negativamente a las propiedades mecánicas del material con un nivel de resistencia a la compresión inferior de 35.5 % con respecto al de las muestras no estabilizadas. Por otro lado, los resultados adquiridos luego del proceso de reparación para el caso de matrices de suelo muestran que los defectos intervenidos se pudieron rellenar casi por completo, aunque se evidencia la presencia de erosión debido a la inestabilidad de la propia matriz de suelo frente al contenido líquido propio de la solución enzimática. Lo cual no se evidencia en matrices cementicias, donde los defectos se repararon sin evidencia de erosión. Finalmente, el ensayo de compresión en las muestras auto-reparadas indicó que, el uso de una solución enzimática afectó negativamente a las propiedades mecánicas de matrices de suelo. Esto debido a la erosión mencionada con anterioridad al aplicarse la solución enzimática directamente. Por su parte, el uso de una solución enzimática logra mantener las propiedades mecánicas de matrices cementicias, donde se alcanza un valor idéntico en resistencia a la compresión con respecto al de las muestras intervenidas.
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Desarrollo de un modelo numérico para ensayos de carga lateral cíclica sobre muros de ductilidad limitada con malla dúctil
(Pontificia Universidad Católica del Perú, 2024-07-19) Gallegos Vicente, Carlos Junior; Acero Martínez, José Alberto
Los muros de ductilidad limitada (MDL) son elementos estructurales de concreto armado de sección delgada, reforzados con acero en una sola capa y sin confinamiento, los cuales son usados como elementos resistentes para cargas de gravedad y sísmicas en las edificaciones. Este sistema se ha popularizado en Latinoamérica en los últimos 20 años debido a sus diversas ventajas como su bajo costo, el poco tiempo requerido para su ejecución y la optimización en espacio y recursos que propicia. Sin embargo, al ser un sistema estructural relativamente joven, las oportunidades de monitorear su comportamiento real ante sismos han sido pocas. En consecuencia, el estudio de estos elementos ha recaído en la elaboración de ensayos experimentales junto a la construcción de modelos numéricos. De estos últimos, el análisis no lineal de elementos finitos se posiciona como uno de los mejores en cuanto al balance de tiempo computacional y resultados confiables. El objetivo de esta tesis es elaborar un modelo de elementos finitos capaz de replicar el comportamiento de MDL sometidos a cargas cíclicas. Para ello, se realiza una selección comprensiva de las leyes constitutivas y enfoques de modelado más usados y con buenos resultados en investigaciones previas similares. Cada una de estas leyes constitutivas se implementa en modelos de elementos finitos de MDL y se analiza en el programa DIANA FEA BV. Finalmente, usando los resultados de los ensayos experimentales de SENCICO (2016), se evalúa la precisión de los modelos. Los resultados muestran una buena correlación numéricoexperimental en la curva de lazos histeréticos, los modelos esbozan el patrón de fisuración de manera razonablemente precisa y predicen la resistencia de los muros con carga axial y sin carga axial con errores de sólo 7.2% y 1.4%, respectivamente.
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Evaluación de la sensibilidad del comportamiento sísmico de puentes de mampostería de piedra abovedados en arco: caso de estudio del Puente Trujillo
(Pontificia Universidad Católica del Perú, 2020-10-13) Huallpa Mollinedo, Marco Antonio; Noel Tapia, María Fernanda
Los puentes de mampostería de piedra en arco forman parte importante del patrimonio arquitectónico de nuestro país, debido a que a través de los años han permitido y permiten aún el desarrollo cultural y comercial de pueblos y ciudades. A pesar de su importancia, tales estructuras presentan alta vulnerabilidad sísmica, debido a que el Perú se encuentra ubicado dentro del Cinturón de Fuego del Pacífico y a las características endebles de la mampostería como material de construcción. La mampostería es un material anisotrópico, que requiere varios parámetros para describirla en el rango post fluencia, los cuales en la práctica son difíciles de obtener (Scheibmeir, 2012). Además, las distintas características de la mampostería, más aún histórica, como las propiedades de las unidades y mortero, disposición de las juntas y mortero, forma y dimensión de las unidades, ancho de juntas, calidad de la mano de obra, grado de curado, medio ambiente y edad, hacen que su estandarización completa esté aún lejos de lograrse (Lourenço, 1996). Por lo tanto, la evaluación sísmica de este tipo de estructuras es una tarea compleja, ya que su comportamiento oscila en el rango no lineal, donde las idealizaciones consideradas para los materiales, presentan gran incertidumbre. En este sentido, el presente trabajo busca evaluar la sensibilidad de las propiedades no lineales de un puente de mampostería de piedra abovedado en arco a partir de un análisis paramétrico, afín de identificar las propiedades que más influyen en la respuesta sísmica. Como caso de estudio se ha adoptado al puente Trujillo (prístino), ubicado en el centro histórico de Lima y construido entre los años 1608 y 1610. El trabajo incluye una extensa recopilación de propiedades lineales y no lineales de los materiales de esta tipología de puente. El modelo numérico base, se construyó de acuerdo con las propiedades promedio obtenidas del análisis bibliográfico y, los modelos para el análisis paramétrico fueron desarrollados con valores máximos y mínimos establecidos, tanto para los pilares como los arcos. La respuesta de la estructura fue evaluada aplicando el Análisis Estático No Lineal junto con el Método de Elementos Finitos (MEF). El estudio concluye que la variación de las propiedades no lineales referidas a la tracción (ft y Gt), son las que mayor influencia producen, provocando que un mayor valor de estos brinde mayor capacidad a la estructura. En cuanto a la variación del esfuerzo de compresión (fc) en los pilares y arcos, no hay mayor influencia en la respuesta de la estructura.
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S-HBIM: herramientas de digitalización 3D para el diagnóstico estructural de edificaciones patrimoniales
(Pontificia Universidad Católica del Perú, 2022-06-09) Reategui Arrue, Rony Wilman; Aguilar Velez, Rafael
De acuerdo al continuo progreso en el conocimiento del patrimonio cultural, la realización de modelos digitales 3D orientados a las construcciones históricas se ha convertido en un procedimiento estándar. Asimismo, los diversos ensayos de diagnóstico, conservación y restauración que se realizan en estas estructuras requieren de sistemas de información que permitan una constante actualización y colaboración entre los diferentes involucrados. En este sentido, la integración de esta información semántica con el modelo 3D en un único entorno virtual resulta de gran interés ya que permitiría un manejo unificado de toda la información, siendo las herramientas brindadas por el Building Information Modeling (BIM) las más adecuadas. El objetivo de la presente tesis es proponer la metodología SHBIM como una herramienta que permita una documentación totalmente digital del estado de conservación estructural de edificaciones patrimoniales. El procedimiento inicia con la recolección de información en campo (e.g. escaneo láser, fotogrametría aérea, ensayos termográficos, ensayos sónicos, entre otros) para crear modelos digitales 3D en un entorno BIM. Se emplea modelado paramétrico y modelado semi-automático mediante programación gráfica para generar geometrías complejas como bóvedas y rellenos. Una vez generado el modelo 3D, se añade la información de diagnóstico de manera gráfica y textual. Se modelan patologías estructurales como elementos sólidos de espesor muy delgado que se adaptan a superficies curvas como bóvedas y cornisas. Además, la información textual del estado de conservación, procedimientos de restauración y resultados de ensayos no destructivos se ingresa como parámetros en cada elemento del modelo 3D, lo que permite generar mapas de daño de manera automática por medio de filtros de visualización. La metodología S-HBIM se valida en la iglesia de la Compañía de Jesús en Cusco, Perú. Los resultados muestran que es posible integrar información tanto geométrica como semántica en un único entorno virtual 3D. Asimismo, se observa que las herramientas BIM también son aplicables a estructuras patrimoniales, y otorgan gran ventaja visual, de almacenamiento y gestión de la información respecto a métodos de representación 2D tradicionales. La metodología S-HBIM permite el desarrollo de un procedimiento estándar para el reporte de resultados en estudios de diagnóstico estructural de edificaciones existentes, así como la creación de repositorios digitales para un manejo ordenado de información dentro del marco de la evaluación y diagnóstico estructural de edificaciones patrimoniales.