El académico del Departamento de Ingeniería en Obras Civiles Carlos Felipe Guzmán es uno de los investigadores ganadores de la convocatoria 2020 del Concurso Fondecyt de Iniciación a la Investigación. Su proyecto “Numerical and experimental characterization of the quasi-brittle behavior of timber” (Caracterización numérica y experimental del comportamiento cuasi-frágil de la madera) se focalizará en mejorar el conocimiento sobre el comportamiento dúctil y frágil de la madera.

El profesor Guzmán explica que la madera, mecánicamente, tiene un comportamiento frágil bajo ciertas cargas, mientras que ante otro tipo de fuerzas tiene un comportamiento dúctil. El proyecto señala que estas propiedades hacen de la madera un material difícil de analizar: “En aplicaciones estructurales, la ductilidad es una característica muy deseada porque la energía disipada a través de la deformación plástica disminuye la probabilidad de una falla catastrófica. Eventualmente, una estructura de madera estará sujeta a cargas multiaxiales sin mostrar un comportamiento dúctil. Por lo tanto, es deseable aprovechar al máximo el comportamiento dúctil de la madera, con el fin de convertirla en un material estructural viable frente a competidores bien establecidos, como el hormigón o el acero”.

La investigación contempla tres etapas. La primera estará enfocada en el estudio del comportamiento microestructural de la madera, ya que “es un material que tiene propiedades que han evolucionado durante millones de años y que tienen una estructura con una organización jerárquica. Esto se aprecia microscópicamente, donde podemos ver que en muestras cada vez más pequeñas va cambiando la geometría de la madera”. De modo que el análisis de la morfología a nivel microscópico permitirá comprender el comportamiento mecánico de la madera como material estructural. La segunda etapa se abocará a la caracterización experimental del comportamiento cuasi-frágil del material, lo que implica la utilización de equipos especializados para la obtención de imágenes que permitan obtener las de deformaciones de la madera. Esto entregará datos muy importantes para los modelos numéricos de la tercera fase de la investigación, que se centrará en el análisis estructural macroscópico de los fenómenos que ocurren en las transiciones entre los comportamientos frágiles y dúctiles. Para esto se realizarán simulaciones numéricas, enfocadas en las características transversales del material, que permitan entregar soluciones numéricas que puedan abarcar a la vez la resolución de varios problemas sobre la madera.

El enfoque de esta propuesta constituye un aporte relevante para la comunidad científica ya que “los estudios previos se han enfocado en las especificidades y particularidades de cada madera, por lo que no son extrapolables a comportamientos más generales. En este caso se aspira a proponer soluciones numéricas para distintas clases de madera y no solo ante problemas específicos de un tipo de madera”, señala el académico. Asimismo, también se posiciona como un avance en el ámbito de la ingeniería en Chile, ya que “tenemos todo un desafío respecto de cómo se utiliza la madera en nuestro país. Actualmente sigue teniendo un bajo uso si lo comparamos con materiales como el hormigón y el acero. ¿Cómo podemos contribuir para hacer de la madera un material más atractivo para la construcción? Primero tenemos que entender cómo funciona la madera, cuáles son sus características mecánicas. Esta investigación puede ser una contribución al conocimiento que permita orientar las normativas para la construcción en madera”. Esto es significativo ya que, como indica la propuesta, “mediante el uso de técnicas de simulación de vanguardia, la investigación puede ayudar al ingeniero a evaluar la viabilidad del material sin la necesidad de sobreestimar su comportamiento mecánico, lo que potencialmente puede reducir los costos de un proyecto”.

El proyecto de tres años de duración es uno de los 18 seleccionados entre 60 postulaciones al grupo 1 de Ingeniería, de acuerdo a las categorías establecidas por la Agencia Nacional de Investigación y Desarrollo (ANID). En su realización contempla el trabajo con tesistas de pregrado y magíster, por lo que se realizará una convocatoria para estudiantes con inquietudes afines al proyecto de investigación. Además, implicará la adquisición de equipamiento para el Laboratorio de Estructuras, lo que será de gran beneficio para el Departamento ya que, junto a su utilización para las mediciones en madera, permitirá el análisis de otro tipo de estructuras, ampliando el campo de investigación del laboratorio, lo que aportará, a su vez, en el desarrollo de actividades de docencia. En el contexto del Magíster en Ciencias de la Ingeniería mención Ingeniería Estructural, esta investigación se vuelve relevante ya que el plan de estudios tiene un fuerte énfasis en la mecánica computacional, lo que se relaciona directamente con el proyecto, por lo que se pueden proponer ejemplos de aplicación de interés y apertura de nuevas líneas de investigación. Al respecto, el académico señala que “abordar este tema es todo un desafío para mí y para el equipo de estructuras. Llevar a cabo una investigación de este calibre requiere de equipos especializados, personal de apoyo, alumnos y profesores. De modo que una investigación de este tipo se piensa en consonancia con los desafíos y proyecciones que puedan aportar al Departamento”. En relación a lo anterior, el profesor Guzmán expresa su agradecimiento por el apoyo que han brindado el Departamento y la Universidad de Santiago de Chile en las actividades que derivaron en la formulación de este proyecto.

La investigación propuesta se vincula con la pasantía que el académico realizó durante el verano 2020 en el Centro Internacional de Métodos Numéricos en Ingeniería (CIMNE, alojado en la Universidad Politécnica de Cataluña), orientada al estudio de modelos numéricos para elementos finitos mixtos, los que tradicionalmente se han utilizado en la mecánica de fluidos. En dicha instancia, se enfocó en la aplicación de estos métodos en la mecánica de sólidos. A partir de esta experiencia, se propuso analizar la madera, considerando que las heterogeneidades en la estructura del material dificultan su simulación por los elementos finitos tradicionales.

Ante eventuales adecuaciones del proyecto, debido a la incertidumbre producida por la pandemia de covid-19, ya se barajan alternativas de reorganización de los tiempos para equipar y trabajar en el laboratorio en el momento en que sea posible.

El académico Carlos Felipe Guzmán es profesor asistente de nuestro Departamento, ingeniero mecánico por la Universidad de Concepción, magíster en Ciencias de la Ingeniería mención Ingeniería Mecánica de la misma casa de estudios y doctor en Ciencias de la Ingeniería por la  Université de Liège, en Bélgica. Sus líneas de investigación son la simulación multiescala de materiales (madera, hormigón); modelización en elementos finitos de plasticidad y daño dúctil en metales, y las formulaciones mixtas en elementos finitos para mecánica de sólidos. Dicta cursos en el magíster de nuestro Departamento sobre Metodología de la investigación; Mecánica no lineal de materiales, y Teoría y modelación numérica de acero estructural.

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