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PERSONAL INFORMATION
Carlos Felipe Guzmán
Assistant Professor
Docteur en Sciences de l’Ingénieur
Computational Mechanics for Solids and Structures
Department of Civil Engineering
University of Santiago, Chile
E-mail: cf.guzman@usach.cl

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Formation

2016  –  Docteur en Sciences de l’Ingénieur, Université de Liège, Belgium

2012  –  Master in Engineering Sciences, Universidad de Concepción, Chile

2011  –  Mechanical Engineer, Universidad de Concepción, Chile


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Current courses

  • 18403-0-M-1   Metodología de la investigación (Master’s program) – 7 SCT

  • 18404-0-M-1   Non-linear mechanics of materials (in english) (Master’s program) – 7 SCT

  • 18423-0-M-1   Teoría y modelación numérica de acero estructural (Master’s program) – 3 SCT




Available thesis topics / Temas de tesis disponibles (Actualizado mayo 2020)

TítuloLínea de investigaciónDescripciónObjetivosTareas
1Análisis técnico-económico para la implementación de un sistema de correlación de imágenes digitales (DIC) para estructuras de pequeñas y grandes dimensiones para el laboratorio de estructuras. Mecánica experimentalLa correlación de imágenes digitales (digital image correlation, DIC) es una técnica de procesamiento de imágenes que permite obtener los desplazamientos y deformaciones en la superficie de un material. Por ello, es una herramienta útil Determinar una configración de hardware y software ideal para realizar correlación de imágenes digitales en las condiciones espaciales disponibles.
Revisar las configuraciones de DIC disponibles en las literatura con software gratuitos.
Analizar las condiciones espaciales y de luminosidad del lugar para realizar ensayos.
Determinar el hardware (cámaras, soporte, lentes, etc.) y software necesario para realizar la correlación de imágenes.
Realizar una cotización del hardware y software.
2Análisis de la influencia del porcentaje de nanotubos de carbono en una matriz cementicia usando un modelo numérico de homogeneización computacional Análisis multiescala del hormigónLos nanotubos de carbono (carbon nanotubes, CNT) permiten mejorar la resistencia a la tracción y la ductilidad del hormigón, al ser combinados con la mezcla de cemento. Debido a su característica heterogeneidad, la modelación en múltiples escala usando técnicas de homogeneización permite obtener propiedades micro y macroscópicas. Este estudio propone usar tales modelos para realizar una comparación numérica-experimental de un compuesto CNT-cemento. Determinar los parametros que más influyen comportamiento mecánico a la tracción del hormigón con nanotubos de carbono.
Comprender y manipular un framework numérico existente para insertar las propiedades de la matriz cementicia.
Obtener la influencia de la fracción de volumen, orientación, relación de aspecto, etc. de los CNT en el módulo de elasticidad del compuesto.
Comparar los resultados numéricos con otros experimentales.
3Caracterización mecánica de la celulosa usando modelos numéricos de dinámica molecularMaderaRecientemente, científicos han logrado crear una especie de bambú que es hasta 6 veces más resistente que el acero al mismo peso. El proceso considera delignificación permite la formación de mayor cantidad de enlaces de hidrógeno en las cadenas moleculares de hidrógeno, aumentando la cohesión de la molécula. Más importante aún, es el hecho de que la fibra de celulosa explica en gran porcentaje el comportamiento mecánico de la madera, por lo que la comprensión de ella es importante para determinar su comportamiento estructural. Realizar ensayos mecánicos a esta escala resulta impracticable, por lo que la caracterización de las propiedades mecánicas representa un desafío no menor. Una forma de obtener propiedades de material a esta escala es utilizar simulaciones numéricas basadas en los métodos de dinámica molecular. En este caso, los átomos son tratados como puntos materiales unidos por fuerzas inter- e intra-atómicas. A través de la definición de un volumen representativo de la molécula de celulosa, es posible simular micro-ensayos mecánicos para obtener las propiedas mecánicas.Diseñar un modelo de la molécula de dinámina molecular para obtener propiedades mecánica
Revisar la literatura para encontrar un modelo molecular de la celulosa.
Programar en un software de dinámica molecular las coordenadas de los átomos, las interacciones inter e intratómicas (enlaces covalentes, enlaces de hidrógeno, etc.)
Simular enayos de tracción, compresión y corte para obtener propiedades de material.
Investigar la influencia de las interacciones inter e intra-atómicas en las propiedades mecánicas
4Simulación del comportamiento dúctil de la maderaMaderaLa madera es un material compuesto que ha sido mejorado por la naturaleza durante millones de años. Sus propiedades físico-mecánicas son excepcionales, lo cual lo convierten en un material muy atractivo para diversas aplicaciones, entre la cuales podemos nombrar la construcción de edificios. En particular, el estudio de la madera como aplicación estructural debe considerar el diseño de uniones, para lo cual el conocimiento del comportamiento bajo compresión juega un rol fundamental. Mecánicamente, la madera tiene un comportamiento frágil en tensión y dúctil en compresión, dependiendo de la orientación de la fibra de celulosa. Este tema plantea el estudio mecánico de la madera principalmente bajo compresión.Caracterizar el comportamiento en plasticidad de la madera utilizando simulaciones numéricas de elementos finitos.
Revisión bibliográfica de gráficos tensión-deformación para el pino radiata, con especial énfasis en el comportamiento bajo compresión.
Desarrollar modelos numéricos utilizando ANSYS APDL con modelos numéricos que capturen el comportamiento en plasticidad y la anisotropía caracteristica de la madera.
Comparar los resultados con datos experimentales provenientes de la literatura.
Efectuar un análisis de sensibilidad para determinar que parámetros juegan un rol relevante en valores como la tensión de fluencia y la resistencia última.
5Simulación del comportamiento frágil de la maderaMaderaLa madera es un material compuesto que ha sido mejorado por la naturaleza durante millones de años. Sus propiedades físico-mecánicas son excepcionales, lo cual lo convierten en un material muy atractivo para diversas aplicaciones, entre la cuales podemos nombrar la construcción de edificios. En particular, el estudio de la madera como aplicación estructural debe considerar el diseño de uniones, para lo cual el conocimiento del comportamiento bajo compresión juega un rol fundamental. Mecánicamente, la madera tiene un comportamiento frágil en tensión y cuasi-dúctil en compresión, dependiendo de la orientación de la fibra de celulosa. Este tema plantea el estudio mecánico de la madera principalmente bajo tensión.Caracterizar el comportamiento frágil de la madera utilizando simulaciones numéricas de elementos finitos.
Revisión bibliográfica de gráficos tensión-deformación para el pino radiata, con especial énfasis en el comportamiento bajo tensión.
Desarrollar modelos numéricos utilizando ANSYS APDL con modelos numéricos que capturen el comportamiento frágil y la anisotropía caracteristica de la madera.
Comparar los resultados con datos experimentales provenientes de la literatura.
Efectuar un análisis de sensibilidad para determinar que parámetros juegan un rol relevante en valores como la tensión a la ruptura.
6Caracterización mecánica de la molécula de silicato de calcio hidratado (CSH) usando el método de elementos finitos (Continuación de Atenas y Rojas)Análisis multiescala del hormigónEl silicato de calcio hidratado (calcium silicate hidrate, CSH) es uno de los componentes más importantes de la mezcla de cemento, y se cree que es el responsable de dotar a este último de su característica resistencia mecánica. En los últimos años, se han utilizado nanoaditivos (tales como los nanotubos de carbono, CNT) que proveen una mejora al comportamiento mecánico, tal como mayor resistencia a la tracción y mayor ductilidad. Debido a la escala de estos aditivos, se hace necesario comprender la respuesta de la molécula a diversas solicitaciones. Esto se realiza tradicionalmente usando herramientas numéricas como la dinámica molecular. Sin embargo, este método puede ser extremadamente costoso en términos de tiempo de CPU. Por ello, se propone utilizar un modelo de elementos finitos para poder caracterizar las propiedades mecánica de la molécula.Utilizar el software de elementos finitos ANSYS para la obtención de propiedades mecánicas que permitan la caracterización del comportamiento elástico de la molécula de CSH reforzada con CNT
Aplicación de condiciones de borde periódicas para la molécula con una metodología ya desarrollada
Obtención de propiedades homogeneizadas (módulo de elasticidad, Poisson, corte, etc.)
Comprender la influencia de los parámetros de enlace (covalente, van der Waals y Coulomb) en las propiedades homogeneizadas
7Ensayos de tracción y compresión para la caracterización mecánica del pino radiata de acuerdo a la norma DIN 52188.
Mecánica experimental
Madera
La madera es un material compuesto que ha sido mejorado por la naturaleza durante millones de años. Sus propiedades físico-mecánicas son excepcionales, lo cual lo convierten en un material muy atractivo para diversas aplicaciones, entre la cuales podemos nombrar la construcción de edificios. Mecánicamente, la madera tiene un comportamiento frágil en tensión y cuasi-dúctil en compresión, dependiendo de la orientación de la fibra de celulosa. De manera de aumentar la competitividad de la madera como un material de construcción, el comportamiento cuasi-frágil debe ser comprehendido lo más posible. En esta tesis, el alumno debería diseñar y efectuar una campaña experimental para caracterizar las propiedades mecánicas de la madera. En particular, probetas de pino radiata, una especie comercialmente disponible y con amplio espectro de aplciaciones, serán sometidas a ensayos de compresión y tracción en fibras según la norma DIN 52188.Caracterizar el comportamiento mecánico del pino radiata utilizando ensayos de acuerdo a la norma DIN 52188
Recopilar información de la literatura sobre el comportamiento mecánico y estructural sobre el pino radiata
Seleccionar los materiales comerciales disponibles para diseñar probetas de acuerdo a la norma DIN 52188
Efectuar los ensayos bajo condiciones experimentales acorde a la norma DIN 52188
Obtener curvas de tensión-deformación para cada experimento, con especial énfasis en capturar el comportamiento cuasi-frágil
8Desarrollo y validación de un modelo numérico en ANSYS APDL para la simulación del conformado incremental con punzón (Single point incremental forming, SPIF)Acero estructuralEl conformado incremental con punzón (single point incremental forming, SPIF) es un proceso de conformado de metales en la cual una lámina de metal es deformada por un punzón esférico. Una de las principales características del proceso es que no requiere de costosas matrices para obtener la geometría final de la lámina, pues esta es definida solo por el movimiento incremental del punzón. La trayectoria, a su vez, es programada desde un setup CAD/CAM. Esto hace del SPIF un proceso atractivo para diseñar prototipos, estructuras delgadas para la industria automotriz o aeronáutica, u otro tipo de piezas para bajos lotes de producción. Los modelos numéricos permiten predecir, solo a partir de la trayectoria de la herramienta, la forma final de la geometría deseada y la fuerza requerida por la máquina para poder deformar la lámina.Desarrollo de un framework numérico en ANSYS capaz de simular el proceso de conformado incremental y predecir la geometría final y las fuerzas de la herramienta
Adaptar simulaciones existentes (geometría, malla, parámetros de material) para ANSYS APDL
Validar las simulaciones usando distintos parámetros de material con resultados experimentales disponibles u otros de la literatura
Obtener perfiles de la deformación y la evolución de la fuerza en el tiempo para distintas geometrías
Comprar resultados con el benchmark NUMISHEET 2014
9Aplicación de una superficie de fluencia de Mohr-Coulomb para la predicción de la localización inducida por endurecimientoAcero estructuralLa localización por deformación es un fenómeno que precede a la fractura dúctil en metales. Se caracteriza por una elevada taza de deformación plástica en zonas con imperfecciones, lo que repercute en una pérdida de rigidez del material. Una forma de predecir este fenómeno es utilizar un modelo de daño dúctil que contemple el crecimiento de cavidades, tal como el modelo de Gurson-Tvergaard-Needleman. Sin embargo, este modelo no es capaz de predecir la localización cuando ésta es inducida por el endurecimiento por deformación. Un modelo que podría predecir este comportamiento es el de Mohr-Coulomb, lo que tendría importantes implicancias en la predicción de la fractura en procesos de conformado de metales.Predecir la localización inducida por el endurecimiento por deformación, usando el método de elementos finitos con el modelo de Mohr-Coloumb, utilizando datos experimental de ensayos de fractura efectuados en un acero estructural.
Predicción del comportamiento mecánico en plasticidad de probetas estandarizadas de acero estructural usando un modelo de elementos finitos desarrollado en ANSYS APDL
Calibrar los parámetros de material del modelo de Mohr-Coloumb usando la base de datos del acero estructural disponible
Realizar análisis de la influencia de los parámetros de material del modelo en la localización de la deformación
Comparar los resultados numéricos con resultados experimentales y analizar la diferencias observadas
10Numerical study of the quasi-brittle failure of wood using the finite element method (Carlos Ulloa)MaderaFailure in wood usually appears in irregularities, causing localized deformations and stresses. The accurate prediction of the strength of wood is of crucial importance for structural applications, such as the design of connectors. Linear elastic fracture mechanics (LEFM) had been extensively used by many researchers in the past to predict brittle failure, due to its simplicity and robustness (Lukacevic et al., 2015). The process is, nevertheless, more complex. Many parameters, such as the intra-fiber cell wall variations and moisture content, (François et al., 2013; Salmén and Burgert, 2009) lead to some plastic effects, involving quasi-brittle failure modes which make LEFM unsuitable for accurate predictions. In this thesis, the student should make a detailed account of the microstructural parameters affecting the quasi-brittle behavior of wood at failure. Crucial parameters leading to failure should be discussed among different wood species, together with modeling techniques and their predictive capabilities (LEFM, phenomenological damage mechanics, homogenization based multiscale modeling, etc.). The student should propose a simulation strategy using the finite element method and test its features for a certain type of wood specie.
11Formulation of a large strain constitutive theory for wood including time and moisture effectsMaderaThe thermo-hygro-mechanical response of wood is very important for the understanding the degradation of material stiffness and strength. This is even worse in the presence of long-term creep. Even if the natural advantages of wood, such as high strength and stiffness are promising for structural applications, these disadvantages challenge the serviceability and safety of wood-based structures (Hassani et al., 2015). Despite its importance, constitutive models covering all these aspects is scarce or severely limited because of the inner complexity of wood. Moreover, most of them are formulated in the small-deformations framework. Recently, a model capturing these effects was proposed by Fleischhauer et al. (2018) to study densification. In this thesis, the student should review the small and large deformation (phenomenological) constitutive models available in the literature for wood. The purpose will be to develop a coupled law able to model the creep behavior. Experimental tests should be performed by the student using a recently developed isolating chamber. A carefully designed experimental campaign should serve as input for the developed constitutive model.
12Multiscale analysis of the localized kinking effect and the buckling of elongated cells under axial compression using computational homogenizationMaderaPhenomenological continuum models have been used extensively to represent the orthotropic macroscopic behavior of timber, because of their generality and overall simplicity. These models have material parameters (or internal variables) which are not always related to the physics of the material. The mechanical behavior of timber have some particularities which are not always well captured by classical phenomenological models. For instance, timber can be loaded far over its elastic limit under compressive loads. Macroscopically, the compression behavior in the grain direction shows initially an elastic region, which further develops a stagnated plastic region (plateau) (Da Silva and Kyriakides, 2007). If the specimen is compressed in the transverse direction, a region with a rapid increase on the stress appears, called densification (Holmberg et al., 1999). This non-linear behavior is caused by the collapse and crushing of the early/late wood cells under transverse compression, or buckling of the elongated cells under axial compression (Oudjene and Khelifa, 2009). In this thesis, special attention will be given to describe the non-linear behavior at the early/late wood scale. This scale plays an important role on the mechanical failure of timber  and the deformation paths followed by the cell wall under buckling or collapse are not yet well understood. The first step will be the development of a constitutive model for the macroscopic behavior of timber. Due to the intrinsic complexity of the timber structure, a homogenization-based multiscale modeling technique is better suited than phenomenological models. One of the main features of this technique is the ability to describe the macroscopic behavior based on the homogenized properties of the underlying microstructure. This model will help to study the localized kinking effect and the buckling of elongated cells under axial compression and the wood cell collapse under transversal compression.
13Numerical analysis of the integration algorithm of an anisotropic yield locus for ductile materialsAcero estructuralLa ley constitutiva de un material es una relación matemática que permite modelar el comportamiento de un material/estructura ante una solicitación externa. En el caso de los metales, el comportamiento mecánico generalmente está dividido en tres etapas:  elasticidad, plasticidad y daño. La primera se puede aproximar convencionalmente como lineal usando la relación de Hooke, mientras que la plasticidad y el daño son altamente no-lineales, requiriendo de leyes constitutivas más complejas. La formulación de las leyes constitutivas se hace basado en el formalismo de la mecánica del medio continuo. Los métodos computacionales, por otro lado, se basan en un formalismo distinto basado en la solución de ecuaciones discretas. Para poder pasar de un formalismo a otro, esto es, discretizar ecuaciones continuas y transformarlas en ecuaciones algebraicas, existen distintas técnicas. Dentro de ellas, el algoritmo de mapeo de retorno (return-mapping) es uno de los más conocidos. La importancia de estudiar estos métodos radica en el contexto del método de elementos finitos. Por ejemplo, la ley constitutiva es resuelta en cada punto de integración de Gauss de los elementos finitos. Así para problemas estructurales, que contienen miles o incluso cientos de miles de elementos finitos, la ganancia en tiempo, exactitud y convergencia para cada punto de integración de Gauss es crucial para el análisis de la estructura global.Determinar la efectividad de un algoritmo de retorno de mapeo propuesto para simular daño en terminos de estabilidad y tiempo de cálculo
Implementar un algoritmo de retorno de mapeo para daño en ANSYS APDL utilizando la subrutina de usuario en Fortran
Analizar la convergencia, exactitud y estabilidad del esquema de integración en un caso homogéneo (un solo elemento finito)
Estudiar el efecto del daño (expresado como ablandamiento) en la convergencia del método numérico
14Estudio numérico del fenómeno del bloqueo en simulaciones de sólidos usando formulaciones mixtas en elementos finitosElementos finitosEl método de los elementos finitos ha probado ser una herramienta numérica formidable para resolver problemas en ingeniería. Sin embargo, aplicado a mecánica de sólidos el ingeniero debe saber lidiar con el problema de bloqueo en problemas estructuras, tales como bloqueo por corte (en problemas de flexión) y bloqueo por incompresibilidad (en problemas de plasticidad). Si bien estos problemas han sido estudiados después de muchas décadas, la mayoría de las soluciones se basan en encontrar modificaciones a las formulaciones irreducibles basadas en desplazamientos. En este trabajo se propone utilizar métodos mixtos estabilizados para disminuir los efectos del bloqueo.Evaluar la exactitud, estabilidad y tiempo de cálculo de las formulaciones mixtas en elementos finitos comparando las predicciones con resultados analíticos y formulaciones clásicas.
Implementar una formulación desplazamiento-deformaciones o desplazamiento-esfuerzos en ANSYS APDL usando la subrutina de usuario en Fortran
Simular ejemplos de problemas severos de bloqueo por corte o incompresibilidad
Comparar las predicciones con resultados analíticos y otros elementos disponibles en ANSYS.
15Análisis de la influencia de las leyes de contacto en la predicción de la fuerza en un proceso de conformado de metales
Acero estructural
Elementos finitos
El conformado incremental con punzón (single point incremental forming, SPIF) es un proceso de conformado de metales en la cual una lámina de metal es deformada por un punzón esférico. Una de las principales características del proceso es que no requiere de costosas matrices para obtener la geometría final de la lámina, pues esta es definida solo por el movimiento incremental del punzón. La trayectoria, a su vez, es programada desde un setup CAD/CAM. Esto hace del SPIF un proceso atractivo para diseñar prototipos, estructuras delgadas para la industria automotriz o aeronáutica, u otro tipo de piezas para bajos lotes de producción. A pesar de grandes esfuerzos en la última década, el proceso aún presenta grandes desafíos para la modelación numérica utilizando elementos finitos. En particular, la predicción de la fuerza representa un obstáculo mayor para el correcto dimensionamiento de la capacidad de carga de la máquina.Mejorar la predicción de la fuerza medida en la herramienta usando el método de elementos finitos con distintos modelos de contacto.
Revisión bibliográfica sobre la influencia de la modelación del contacto en la predicción de la fuerza en SPIF, bajo el contexto de simulaciones en elementos finitos.
Comprar las predicciones de fuerza en ANSYS APDL con valores experimentales y otros disponibles en la literatura
Descripción de los métodos de contacto disponibles en los códigos de elementos finitos disponibles
Comparar los resultados de la predicción de la fuerza para los distintos algoritmos de contacto





Research interests

  • Continuum mechanics for the description of the non-linear behavior of materials
    • Homogenization techniques and multiscale modeling of heterogeneous materials. Application to timber
    • Phenomenological models for plasticity and ductile damage in metals

  • Experimental mechanics
    • Digital image correlation
    • Material parameters identification

  • Nanomechanics
    • Carbon nanotubes
    • Cementitious composites

  • The finite element method in solid mechanics
    • Locking treatment and mixed formulations
    • Structural analysis





Recent publications

  • Díaz, A. R., Saavedra Flores, E. I., Yanez, S. J., Vasco, D. A., Pina, J. C., & Guzmán, C. F. (2019). Multiscale modeling of the thermal conductivity of wood and its application to cross-laminated timber. International Journal of Thermal Sciences, 144, 79–92. https://doi.org/10.1016/j.ijthermalsci.2019.05.016

  • Ahmed, S. M., Avudaiappan, S., Sheet, I. S., Saavedra Flores, E. I., Pina, J. C., Yanez, S. J., & Guzmán, C. F. (2019). Prediction of longitudinal shear resistance of steel-concrete composite slabs. Engineering Structures, 193, 295–300. https://doi.org/10.1016/j.engstruct.2019.05.010

  • Iquilio, R. A., Cerda, F. M. C., Monsalve, A., Guzmán, C. F., Yanez, S. J., Pina, J. C., Vercruysse, F., Petrov, R.H., Saavedra Flores, E. I. (2019). Novel experimental method to determine the limit strain by means of thickness variation. International Journal of Mechanical Sciences, 153-154, 208-218. https://doi.org/10.1016/j.ijmecsci.2019.01.036

  • García-Macías, E., Guzmán, C. F., Saavedra Flores, E. I., & Castro-Triguero, R. (2019). Multiscale modeling of the elastic moduli of CNT-reinforced polymers and fitting of efficiency parameters for the use of the extended rule-of-mixtures. Composites Part B: Engineering, 159, 114–131. http://doi.org/10.1016/j.compositesb.2018.09.057

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Current research projects

  • 2020   –   Caracterización numérica para interacción entre madera y uniones en estructuras, DICYT

  • 2016   –   Fortalecimiento de la investigación en ingeniería a través de la adquisición de una mesa vibradora para el estudio del comportamiento sísmico y vibraciones de estructuras de gran escala, FONDEQUIP EQM160124 (collaborator)

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