Magíster en Ciencias de la Ingeniería

Permanent URI for this collection

https://repositorio.uandes.cl/handle/123456789/70606

Browse

Browsing Magíster en Ciencias de la Ingeniería by Title

Now showing 1 - 5 of 5
  • Thumbnail Image
    Item
    A Predictive Model for Fiber Orientation Dynamics in Viscoplastic Flows from Experimental PIV and PTV on Carbopol as UHPC Analogue
    (Universidad de los Andes, Chile, 2026-08) Wolff Casanova, Lukas
    Modern reinforced concrete structures are subject to increasing demands in terms of service life, performance and efficiency. In addition, the high and growing demand for concrete has driven the construction industry to seek advanced cementitious materials. Ultra High Performance Concrete (UHPC) is a material that, through the optimization of the packing of its matrix, the use of superplasticizing admixtures and the addition of steel fibers, achieves not only a high mechanical performance, above 150 MPa in compression and on the order of 15 MPa in tension, but also a service life exceeding 200 years. The literature indicates that fibers play a fundamental role, where the alignment and dispersion of the fibers with respect to the loading direction are the governing factors of the mechanical response. Both parameters arise from the casting process and depend directly on the rheology of the mixture and on the fiber content. Particle Image Velocimetry (PIV) was implemented on Carbopol, a transparent non-Newtonian viscoplastic fluid used to replicate the rheological properties of UHPC, in order to study the Eulerian behavior of the flow. Additionally, the Particle Tracking Velocimetry (PTV) methodology was implemented to study the Lagrangian behavior of the fibers. The experimental campaign employed Carbopol at concentrations of 0.2% and 0.5%, and four fiber contents: a control without fibers and dosages equivalent to 0.72, 1.48 and 2.92 times the dilute limit. The PIV and PTV measurements determined that the dominant factors are the cross section geometry and the rheology of the mixture. However, it was observed that at higher fiber concentrations the fibers experience a higher angular velocity, while the vorticity of the flow remains practically unaltered. Furthermore, the final alignment of the fibers decreases with concentration. All of these effects are predicted by the Advani-Tucker model for Newtonian flows. On this basis, this thesis proposes a reduction of the Advani-Tucker model to an exponential approach-to-equilibrium law with two parameters, the attainable alignment η1,max and the characteristic strain Γ∗, applicable to non-Newtonian viscoplastic flows as a method for predicting fiber orientation from the accumulated strain induced by the flow. The. model was calibrated with the data obtained from the PTV measurements in 0.2% Carbopol, and was then tested by feeding it with the accumulated strain recovered by PIV in the flow without fibers. The prediction was correct within a tolerance of ±5◦, so it is concluded that the Advani-Tucker model, or a reduced form of it, allows the final alignment of groups of fibers to be predicted from the accumulated strain they are expected to experience.
  • Thumbnail Image
    Item
    Detección de fatiga y exploración de su anticipación mediante inteligencia artificial y señales multimodales en trabajadores mineros.
    (Universidad de los Andes, Chile, 2026) Lizama Rodríguez, Felipe
    La fatiga laboral en la industria minera concentra aproximadamente el 8 % de las fatalidades laborales globales, lo que motiva la búsqueda de sistemas de detección temprana basados en señales fisiológicas. Esta tesis evalúa algoritmos de aprendizaje automático para la detección de fatiga multidimensional en trabajadores mineros, en el marco del sistema OmniFatigue Tracker, mediante un trabajo experimental dividido en tres fases. La Fase 1 implementa un benchmark comparativo de 14 modelos (5 clásicos y 9 de Deep Learning) sobre el conjunto de datos público FatigueSet (4 canales EEG, 12 sujetos), incluyendo un análisis crítico de los esquemas de etiquetado utilizados en el estudio original. En esta etapa, SVM alcanza un Macro-F1 de 0,620 bajo el etiquetado por condición de intensidad. La Fase 1-bis aporta el primer benchmark independiente sobre el conjunto de datos MPD-DF (32 canales, 50 sujetos, etiquetado clínico). En este escenario, CatBoost alcanza un F1 de 0,728, comparable al benchmark interno reportado por el estudio original (MSCNN-CAM, F1 = 0,705), además de documentar el colapso de modelos Transformer bajo condiciones de desbalance extremo de clases (94 %/6 %). La Fase 2 desarrolla un experimento sobre la cohorte propietaria Sigma, compuesta por 10 trabajadores mineros efectivos evaluados con 16 canales EEG OpenBCI y señales periféricas EmotiBit. Se comparan siete estrategias de etiquetado y se adopta como etiqueta primaria la fracción de épocas no-Wake estimada por YASA, utilizada como pseudoetiqueta EEG interna. Esta decisión se fundamenta en la replicación del fenómeno de perceptual blindness en trabajadores mineros, evidenciado por la escasa concordancia entre las medidas subjetivas y los indicadores fisiológicos (κ = 0,001; ρ = 0,081). El clasificador CatBoost entrenado con esta pseudoetiqueta alcanza un Macro-F1 de 0,631 bajo validación Leave-One-Subject-Out (LOSO), mostrando una generalización intersujeto estadísticamente significativa. Para mejorar este rendimiento se evaluaron ocho líneas de investigación adicionales, incluyendo características enriquecidas con HRV e IMU, modelos secuenciales, transferencia de aprendizaje, análisis de componentes independientes (ICA), fusión multimodal, geometría de Riemann y modelos fundacionales como CBraMod y NormWear. Ninguna de estas estrategias logró superar significativamente el rendimiento del modelo base basado exclusivamente en EEG. Los resultados sugieren que la principal limitación del sistema corresponde al reducido tamaño muestral de la cohorte, más que a la representación de características o a la arquitectura de los modelos. La hipótesis de que la fusión multimodal supera a los enfoques unimodales no pudo ser confirmada bajo las condiciones experimentales disponibles. Asimismo, la hipótesis de transferibilidad de representaciones mostró evidencia preliminar, pero no concluyente. Las contribuciones originales de esta investigación son: (i) una pseudoetiqueta EEG interna validada para trabajadores mineros sin una medida subjetiva confiable de fatiga; (ii) el primer benchmark independiente del conjunto de datos MPD-DF; (iii) evidencia robusta de la ausencia de mejoras significativas mediante fusión multimodal en cohortes pequeñas; y (iv) un pipeline reproducible de control de calidad que integra registros sistemáticos de revisión realizados por analistas.
  • Thumbnail Image
    Item
    Feasibility study and design of polyhydroxybutyrate (PHB) fibers produced by fermentation for the reinforcement of cementitious composites
    (Universidad de los Andes, Chile, 2026) Biasi Taiano, Maximiliano
    Fiber reinforcement can improve the durability and service performance of cementitious composites, contributing to longer-lasting structures and potentially reducing their environmental impact. However, many of the synthetic fibers currently used for this purpose are petroleum-derived, motivating the search for more sustainable alternatives. Polyhydroxybutyrate (PHB) is a biodegradable polymer produced by bacteria that has the potential to replace petroleum-based materials in a wide range of applications. This thesis establishes an experimental foundation for evaluating PHB-based fibers as a sustainable alternative to conventional reinforcement fibers in cementitious composites. The research encompasses bacterial production of PHB, polymer recovery, fiber processing, and characterization of the resulting materials. PHB was produced through fed-batch fermentation of Cupriavidus necator, achieving reproducible concentrations of approximately 14–17 g/L. A chloroform-based extraction and purification process was developed, resulting in a final PHB purity of approximately 98%. Direct extrusion of the locally produced polymer did not provide stable fiber formation due to processing and thermal stability limitations. Therefore, continuous fibers manufactured from commercial thermoplastic-grade PHB were used to complete fiber-level characterization. The resulting materials were evaluated through physicochemical, thermal, mechanical, aging, and alkaline degradation analyses. The extruded PHB fibers exhibited tensile strengths between 34 and 42 MPa and strains at failure of approximately 0.7–0.8%, indicating that their untreated mechanical properties are not yet sufficient for the intended reinforcing function. In contrast, the fibers demonstrated favorable alkaline stability, with negligible mass loss after up to 168 hours of exposure at 20 °C and maximum average mass losses of approximately 10% under accelerated exposure at 70 °C. Overall, the results support PHB as a technically viable precursor for cementitious reinforcement applications while identifying fiber processing and mechanical performance as the principal remaining challenges. The findings provide a foundation for future development of PHB fibers through stabilization, drawing, and thermal post-processing, contributing to the advancement of more sustainable reinforcement materials for cementitious composites. Keywords: Polyhydroxybutyrate (PHB), Cementitious Composites,Biodegradable Fibers.
  • Thumbnail Image
    Item
    PINNs para el problema inverso de la recuperación de fuente de calor en hormigón
    (Universidad de los Andes, Chile, 2026) Lira Ruiz Clavijo, Juan Pedro
    El calor liberado durante la hidratación del cemento, Q(t), gobierna el agrietamiento térmico a edades tempranas en hormigón masivo, y su determinación a partir de mediciones de temperatura constituye un problema inverso. Los enfoques tradicionales utilizan simulaciones de elementos finitos acopladas a algoritmos de optimización que ajustan una familia funcional predefinida para la tasa de generación de calor Q˙(t)\dot{Q}(t)Q˙​(t). Este enfoque impone una forma a priori sobre la fuente, depende de una malla y requiere una simulación por cada iteración del proceso de optimización. Esta tesis desarrolla y evalúa una red neuronal informada por la física (Physics-Informed Neural Network, PINN) para identificar Q˙(t)\dot{Q}(t)Q˙​(t) a partir de mediciones de temperatura obtenidas en condiciones semiadiabáticas modeladas mediante una condición de borde convectiva de Robin. La metodología propuesta permite recuperar la fuente sin imponer una forma funcional previa, utilizando una configuración de doble red con embedding de características de Fourier y entrenamiento causal. La validación se realizó de forma incremental y posteriormente se llevó a cabo una campaña experimental que evaluó el desempeño del método frente a distintas morfologías de la fuente, coberturas de sensores, niveles de ruido de medición y perfiles de temperatura ambiente. La condición semiadiabática se representó mediante condiciones de borde tipo Robin que relacionan el gradiente térmico con la temperatura exterior en la frontera del dominio simulado, logrando una implementación estable. Los resultados muestran que, para fuentes bien identificables, desde distribuciones gaussianas hasta pulsos rectangulares discontinuos que una familia paramétrica fija no podría representar adecuadamente, la energía total liberada se recupera con errores inferiores al 5 % en toda la grilla de condiciones evaluadas. Además, el residual de la ecuación física permite rechazar aproximadamente el 80 % del ruido presente en las mediciones. La principal limitación observada corresponde a la curva real de hidratación del cemento, cuya extensa escala temporal la convierte en una fuente débilmente identificable. En este régimen, la reducción de la capacidad de la red actúa como una forma de regularización implícita y la calidad de la fuente recuperada se desacopla del error del campo de temperatura, que constituye la única magnitud directamente observable. Se concluye que las PINNs constituyen una herramienta viable y complementaria para la identificación inversa de fuentes de calor asociadas a la hidratación del cemento, ofreciendo ventajas significativas al prescindir de mallas y de formas funcionales predefinidas, además de presentar un comportamiento robusto frente a ruido y disponibilidad limitada de sensores.
  • Thumbnail Image
    Item
    Simulación de eventos discretos para la evaluación de políticas físicas y operativas de gestión del flujo terrestre de contenedores en el Puerto de Arica
    (Universidad de los Andes, Chile, 2026) Lillo Cabrera, Andrés
    El Puerto de Arica es la principal salida al océano Pacífico del comercio de tránsito boliviano y el puerto más septentrional de Chile. Este rol genera un flujo intenso de camiones que, en la operación actual, esperan mayoritariamente dentro del radio urbano, transformando a la ciudad en un patio de espera del puerto. Esta situación produce externalidades asociadas a la congestión urbana, los desplazamientos en vacío y las emisiones de dióxido de carbono (CO₂). Aunque la literatura ha estudiado por separado los antepuertos reguladores y la consolidación de viajes mediante doble operación (backhauling), existe una brecha en la evaluación conjunta de ambas estrategias sobre un mismo sistema y con datos reales. El objetivo de esta investigación fue evaluar, mediante simulación de eventos discretos, dos políticas aplicadas al sistema logístico terrestre del Puerto de Arica. La primera consiste en el uso obligatorio del antepuerto ZEAP como regulador del flujo de camiones, permitiendo que estos esperen dentro del recinto en lugar de hacerlo en la ciudad. La segunda corresponde a la doble operación de la exportación boliviana, mediante la cual un camión retira un contenedor de importación durante la misma visita al terminal, eliminando desplazamientos urbanos en vacío. Para su evaluación se desarrollaron cuatro modelos de simulación organizados en un diseño factorial 2×2: BASE, ZEAP, DOBLECITA y COMBINADO. La metodología incluyó la calibración y validación de los modelos con datos observados durante 2022, así como la comparación estadística de los escenarios mediante intervalos de confianza pareados. Además, se determinó el nivel crítico de adopción de la doble operación requerido para producir una reducción significativa de la congestión urbana. La disminución de kilómetros recorridos en vacío se tradujo en emisiones evitadas de CO₂ utilizando factores de emisión publicados según el estado de carga del vehículo. Los resultados muestran que el antepuerto regulador reduce en aproximadamente un 82% la cantidad promedio de camiones presentes en el radio urbano, pasando de cerca de 400 a 71 vehículos, sin presentar problemas de saturación. Por su parte, la doble operación requiere una adopción cercana al 28% de los camiones de exportación boliviana para generar una reducción significativa de la congestión; sin embargo, al combinarse con el antepuerto, dicho nivel disminuye al 20%, evidenciando una interacción positiva entre ambas políticas. Asimismo, la doble operación elimina cientos de desplazamientos urbanos en vacío y permite evitar aproximadamente 4,55 toneladas de CO₂ en el modelo DOBLECITA y 3,27 toneladas en el modelo COMBINADO. Se concluye que el uso conjunto del antepuerto regulador y la doble operación constituye una estrategia eficaz para reducir la congestión urbana y las emisiones asociadas al transporte terrestre de contenedores. Además, la investigación aporta una herramienta de simulación validada que permite evaluar políticas operativas y físicas para una gestión logística más eficiente y sostenible del corredor Arica-Bolivia.