3.01 Tesis doctorado

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1-G physical modeling of dynamic soil-structure interaction for semi-buried structures using continuous monitoring in space and time
(2022) Segaline Bustamante, Hugo Javier; Sáez Robert, Esteban; Pontificia Universidad Católica de Chile. Escuela de Ingeniería
La interacción dinámica suelo-estructura (DSSI) ha sido un tema de gran interés durante las últimas décadas. Varias investigaciones han demostrado la importancia de considerar el suelo como parte del diseño estructural, ya que la respuesta de la estructura puede estar fuertemente influenciada por el suelo en función de sus características. Por el contrario, en la práctica común se suele despreciar los efectos del DSSI pues se asume que es una hipótesis invariablemente conservadora, sin embargo, varios estudios revelan que esta hipótesis no es necesariamente cierta ya que hay varios factores a considerar. Por ello, a lo largo del tiempo se han desarrollado diferentes estrategias, ya sea de modelización numérica, analítica o física, para estudiar distintos aspectos del fenómeno DSSI. Esta investigación se basa en el desarrollo de un nuevo dispositivo de caja laminar capaz de simular las condiciones de contorno lateral del suelo. La principal característica de este contenedor laminar es la transparencia de su parte frontal, lo que permite una visualización completa del suelo y su interacción con las estructuras semienterradas considerando un análisis 2D a través de la técnica de correlación de imágenes digitales (DIC). Además, la distribución de la presión dinámica se obtuvo mediante un sensor táctil, que permite correlacionar las imágenes de desplazamiento con el patrón de presión en las diferentes estructuras parcialmente enterradas. Para el caso de los pisos subterráneos de edificios de muros de corte, se verificaron los efectos de interacción cinemática y su relación con la fuerza ejercida sobre estos muros. Para el caso de muros de contención, se evaluó la variación en el tiempo de la forma de la cuña activa como función de la amplitud del movimiento dinámico. Finalmente, tanto para los muros subterráneos como para los muros de contención, se presenta la distribución de presiones para diferentes configuraciones de diseño en términos de profundidad de enterramiento y contenido frecuencial de la carga.
A machine learning approach to predict gene expression signatures, local gene networks, and key genes for biological functions of interest.
(2015) Puelma Peters, Tomás Francisco; Gutiérrez Ilabaca, Rodrigo Antonio; Pontificia Universidad Católica de Chile. Escuela de Ingeniería
Un objetivo importante en la investigación biológica es descubrir genes relevantes para funciones biológicas de interés. Estas funciones pueden tener distintos grados de complejidad, desde procesos biológicos específicos a características complejas como “enfermedades metabólicas” en humanos o “tiempo de floración” en plantas. Esta tesis presenta “Discriminative Local Subspaces” (DLS), un método computacional que combina técnicas de aprendizaje de máquina supervisado y coexpresión para predecir redes de genes capaces de exponer nuevos genes y señalar cuáles son importantes para una función biológica de interés. Además presenta GENIUS, un servidor web que permite a la comunidad científica aprovechar las capacidades de DLS a través de una interfaz amistosa. En contraste con las redes de coexpresión tradicionales, DLS usa el conocimiento disponible en GeneOntology (GO) para generar conjuntos de entrenamiento informativos y guiar la búsqueda de “firmas de expresión”: patrones de expresión distintivos para los genes que participan en una función biológica de interés. Luego, DLS une los genes que se coexpresan con estas firmas para formar una red génica que contiene tanto genes conocidos como nuevos, para la función biológica de interés. Nuestras evaluaciones sistemáticas demuestran que DLS puede predecir genes nuevos con precisiones comparables a los métodos altamente discriminativos “Support Vector Maquines” (SVM), pero manteniendo la representación intuitiva e informativa que proveenlas redes de coexpresión. Más aún, nuestras evaluaciones muestran que, en contraste con estos métodos, DLS mejora su precisión sistemáticamente al aumentar la cantidad de datos experimentales disponibles. Además, nuestras evaluaciones en escenarios reales muestran que GENIUS puede realizar nuevos descubrimientos de manera efectiva. En particular,GENIUS predijo un nuevo gen, clave para mejorar la eficiencia del uso del nitrógeno en plantas, lo cual fue validado experimentalmente. Por lo tanto, creemos que GENIUS puede ayudar a generar hipótesis concretas a partir de conocimiento previo, realizar nuevos descubrimientos y, por lo tanto, mejorar nuestra comprensión molecular sobre los sistemas biológicos. GENIUS actualmente puede ser utilizado en ocho importantes organismos y es de libre acceso en http://networks.bio.puc.cl/genius.
A transitional proposal for working fluids in csp from GEN2 to GEN3: Evaluating their thermophysical properties, corrosion behavior, and economic impact
(2024) Castro Quijada, Matias Daniel; Videla Leiva, Alvaro Rodrigo; Pontificia Universidad Católica de Chile. Escuela de Ingeniería
In the pursuit of reducing the levelized cost of electricity (LCOE) in concentrated solar power (CSP) plants, the search for working fluids (WF) capable of withstanding higher temperatures than current nitrate-based solar salt has emerged. This endeavor aims to enhance generation efficiency without increasing system costs. Despite consensus favoring chlorides for the new system, challenges such as high melting points and extreme corrosiveness of low-melting-point chlorides (e.g., NaCl-KCl-MgCl₂) have hindered the evolution of this technology. This research proposes a systematic transition from the current solar salt to an equimolar salt mixture of NaNO₃, KNO₃, NaCl, and KCl. The thermophysical properties of these salts were assessed using standard methods and methodology such as DSC for melting point and heat capacity, TGA for degradation temperature, Archimedean method for mass density, and rotational viscometry for viscosity. Results revealed improved properties with increased chloride content up to 50 mol% Cl, showcasing lower melting temperatures with less than 30 mol% Cl, and degradation temperatures reaching 642 °C with 50 mol% Cl, compared to 592 °C for the base case. The addition of chloride also enhances energy density, though concerns arise regarding viscosity at low temperatures and high chloride content.The corrosion rate (CR) and mechanisms associated with chloride-containing salts in 304L stainless steel were investigated at 500 °C for up to 21 days. CR was determined using gravimetry, while the morphology, chemical composition, and microstructure of the corrosion products were characterized using XRD, FESEM-EDS, and GD-OES. Exposure to molten salt with 0 mol% Cl (solar salt) resulted in negligible corrosion. The salt with 14 mol% Cl produced a stable corrosion product with a rate 30 times higher than the chloride free salt. All quaternary salts exhibited a multilayer structure with selective chromium (Cr) removal. Salts with more than 29 mol% Cl showed similar structures with Cr and iron (Fe) removal, leading to more brittle layers and higher corrosion rates (90 to 250 times). Cl diffusion into the oxide layer was confirmed, highlighting the roles of Cl₂(g) and O₂(g) in driving corrosivity. Using salts with 29 mol% Cl at 500 °C is discouraged, while using 304L with 14 mol% Cl in a cold tank may be viable. The salt with 14 mol% Cl content exhibited homogeneous corrosion at 100 µm/year. In contrast, salts with 29 and 50 mol% Cl content displayed localized corrosion, with rates of 280 and 755 µm/year, respectively, after 21 days at 500 °C in an open atmosphere.Potentiodynamic polarization sweep studies on 304L and 316L stainless steels, as well as on Haynes 230 and Hastelloy C-22, in the presence of three selected salts, revealed that superalloys Haynes 230 and Hastelloy C-22 demonstrated remarkable insensitivity to escalating chloride content. Furthermore, Hastelloy C-22 exhibited greater resilience, attributed to its higher molybdenum (Mo) content compared to the tungsten (W) content in Haynes 230, making it a promising material for CSP Gen3.Performance evaluations of the proposed CSP salts, utilizing a tailored TRNSYS library with SAM and DELSOL3 in a MATLAB framework, revealed increased generation efficiencywhen using these proposed quaternary salts. However, considering cost factors, incorporating chlorides and new materials reduced the LCOE to values similar to less thermally stable or more expensive nitrates. While the higher risk may not justify the limited benefits of quaternary salts, this transition path aligns with the stepwise methodology devised by NREL to encourage a gradual Gen3 transition and control investment risk. Therefore, further corrosion and material compatibility studies are necessary to determine the appropriate cost of replacing components and assess its impact on the LCOE through long trial assays
An accurate numerical-analytical method for computing stresses in rock mass around mining excavations
(2017) Boccardo Salvo, Valeria; Durán Toro, Mario; Pontificia Universidad Católica de Chile. Escuela de Ingeniería
La corteza terrestre se encuentra sometida a un estado de esfuerzos o tensiones debido a fuerzas de origen gravitacional y tectónico, entre otros. Al extraer material desde un macizo rocoso, los esfuerzos se redistribuyen, lo cual es especialmente importante en minería, debido a que pueden aparecer áreas de alta concentración de esfuerzos en excavaciones mineras,produciendo eventos no deseados como caídas de roca o deslizamientos. Por lo tanto, hay una necesidad por determinar, de manera fehaciente, el estado de esfuerzos inducido en un macizo rocoso por la actividad minera, lo cual constituye un problema complejo. El objetivo de este trabajo es entonces proponer una metodología matemática certera para calcular estos esfuerzos y mostrar su desempeño en un caso simplificado. La principal fortaleza de esta metodología es el tratamiento numérico eficiente y eficaz del medio no acotado que rodea la excavación, comparado con el enfoque habitual usado por software comercial estándar para el mismo propósito, lo que conlleva una considerable reducción del recurso computacional requerido. El desarrollo de la metodología se divide en dos etapas. En la primera etapa se considera un problema simplificado donde se asume que la excavación es un pit semiesférico situado sobre la superficie de un dominio elástico semi-infinito y sometido a gravedad. Este problema es resuelto usando dos métodos semianalíticos, donde el segundo método es una mejora del primero. En la segunda etapa, se trata el caso de una excavación de geometría axisimétrica arbitraria mediante una técnica de acoplamiento, la cual emplea el segundo método semi-analítico para calcular una aproximación del operador Dirichlet-to-Neumann (DtN) sobre una frontera artificial semi-esférica. El operador DtNprovee las condiciones de borde exactas que completan el problema matemático planteado en el dominio computacional existente entre la excavación y la frontera artificial, el cual es entonces resuelto mediante el método de los elementos finitos (FEM). Se presentan resultados numéricos para demostrar la eficiencia y precisión de la metodología propuesta.
Development of performance models and maintenance standards of urban pavements for network management.
(2015) Osorio Lird, Alelí; Chamorro Giné, Marcela Alondra; Videla Cifuentes, Carlos; Tighe, Susan Louise, 1970-; Pontificia Universidad Católica de Chile. Escuela de Ingeniería
Urban pavements in developing countries often provide users with low level of services and result in negative impacts on the population and economy. Two main causes of deferring maintenance actions for urban pavements in developing countries were identified: an institutional organization that limits the optimization of resources assigned to urban pavements because current regulations may not be clear on the responsibilities and faculties of agencies in charge of urban pavement management, and; the lack of effective technical-economic tools that may help agencies in the decision-making process as an updated management system adapted to prevailing urban pavements maintenance requirements. Although the current state-of-the-art and the-practice of PMSs presents great developments in the last decade for interurban pavements, effective tools developed for urban pavement management are still a missing part of current practices. Compared with the management of interurban roads, the management of urban pavements is a comprehensive task given the complexity of urban networks, the coordination with various services and the variable traffic demands. Given this scenario for urban pavement management, there is a need for better understanding urban pavements performance for network management. An overall condition index that combines most relevant distresses affecting urban pavements performance is required for network analysis due to several pavement condition indices available were developed for interurban road networks (highways, express corridor, etc.); moreover, several performance models have been developed for particular distresses, and some of them for pavement condition indexes of interurban pavements. Then, their direct application to urban networks (streets, avenues, etc.) is not representative and their adaptability for these conditions requires previous adjustments and calibration. This research was focused on the network level analysis of urban pavements, towards the development of practical and sustainable technical tools to be further integrated into an Urban Pavement Management System (UPMS). The main objective was to calibrate an Urban Pavement Condition Index (UPCI) and Performance Models, technical components required for an UPMS, based on data collected in urban networks in Chile. UPCI for asphalt and concrete pavement, based on objective measures of surface distresses and evaluations of an expert panel was successfully calibrated and validated with a confidence level of 95%. Multilineal regressions were performed to obtain the UPCI models. Three UPCI models were obtained for asphalt pavements with manual and automated data collection. The distresses resulted significance in asphalt pavement condition are fatigue cracking, transverse and reflection cracking, deteriorated patches, rutting, and potholes for manual data collected. IRI replaces potholes in the condition equation for automated data collected. One UPCI model was achieved with successfully validation for concrete pavements with manual data collection. The distresses representative of concrete pavement condition are longitudinal, transversal and oblique cracking, corner breaks, deteriorated patches, faulting, and deteriorate joints and cracks. Deteriorated patches have an important effect in the UPCI value for all UPCIs calibrated, where utility cuts are frequently observed, resulting in low quality patches and high probabilities of premature deterioration. This conclusion supports the primary hypothesis that special condition evaluation guidelines and indicators are required for urban pavements. Distress evaluation guidelines for asphalt and concrete pavements considering manual and automated surveys were developed and satisfactory validated with a 95% of confidence level through repeatability and reproducibility analysis. This guideline proposes an evaluation methodology for the distresses included in the UPCI. Based on the field evaluation carried out during the research, recommendations about the frequency and sampling for pavement condition evaluation are given for different network hierarchies: primary, every 2 year, the complete network; secondary, every 4 year, the complete network, and; local, every four years samples of homogeneous sections. Performance models were performed based on probabilistic trends of UPCI observed during field evaluations for asphalt and concrete pavements. Five field evaluation campaigns were developed in three regions of Chile during a three-year analysis period for the calibration and validation of performance models. The climates included were dry, Mediterranean and humid. The probabilistic trend over time of data collected was analyzed using Markov chains with Monte Carlo simulation that facilitates the analysis of the deterioration trend with only two points of the curve condition over time, allowing the simulation of pavement performance within the timeframe of the research. Fourteen performance models were calibrated for different combination of three climates, two pavement types and three hierarchy networks, considering a pavement life cycle of 25 years. Twelve of them were successfully validated with a confidence level of 95%. The models of asphalt in humid climate and concrete in dry climate need further analysis for their validation, considering more data collection in these climates. Hierarchies based on grouped functional classification were used: Primary Network (Express and Troncal streets), Secondary Network (Colectors and Services) and Local Network (Local and passages). Additionally, a comparative analysis was performed between the real equivalent axles demanding the sections and the equivalent axles admitted by their structures, in sections of Mediterranean climate. In other climates, the data was not enough to perform this analysis. Five models were obtained for asphalt pavement in mediterranean climate: three for the hierarchies and two for the design analysis. The latest two are recommended to use when information about traffic and structure is available. On the contrary, the models developed based on the hierarchy networks are recommended. Two performance models resulted for asphalt pavements in dry and humid climate: Models for humid climate presents higher deterioration rate than model for dry climate. However, both models present a shorter service life than their design. Likewise asphalts, five models were obtained for concrete pavements in mediterranean climate. Considering the models resulted from the analysis of the design, the deterioration trend does not present big differences within the two conditions analyzed. Therefore, for concrete pavements is recommend the use of the models calibrated based on the hierarchy networks. Two models resulted for concrete pavements in dry and humid climate: Both cases present a long service life; however, on the contrary of what is expected, the dry climate presents a deterioration more accelerated than humid climate. This behavior is probably a consequence of differences in construction standards and maintenance policies, noticed in interviews carried out with agencies of both regions. Finally, suitable P&M&R standards for urban pavement based on the urban pavement condition index and their performance models were developed for asphalt and concrete pavements. Three different standards are proposed for primary, secondary and local networks. The practical tools calibrated in this research can be easily implemented and used by local agencies, and simply adaptable over time and to different scenarios. The results of the study were developed with field data collected in Chilean cities; however, the results may be adapted and adopted in other countries for urban pavement management.
Effect of the microstructure of 316L stainless steel processed by laser powder bed fusion on its wear performance
(2022) Barrionuevo Chiluiza, Germán Omar; Walczak, Magdalena; Ramos Grez, Jorge; Pontificia Universidad Católica de Chile. Escuela de Ingeniería
La fabricación aditiva de metal (AM) ha cambiado los paradigmas en el procesamiento de materiales. Sin embargo, al tratarse de un proceso de fabricación por capas y debido a la compleja interacción material-láser, la microestructura resultante difiere de las aleaciones homólogas convencionales, y su evolución depende del ciclo térmico, tanto del gradiente de temperatura como de la tasa de solidificación. Dado que las propiedades mecánicas dependen de la microestructura, las propiedades de una pieza fabricada por fusión selectiva láser (LPBF) están significativamente influenciadas por los parámetros de procesamiento y la estrategia de escaneo. Los componentes para aplicaciones de contacto cinemático requieren una evaluación del rendimiento de desgaste en el contexto de LPBF. La presente investigación se centra en el estudio del efecto de la potencia del láser, la velocidad de escaneo y el espaciamiento de la trama sobre la densidad, microdureza y desgaste del acero inoxidable 316L. Se utilizaron varias técnicas de caracterización para determinar cómo la microestructura afecta la resistencia al desgaste: microscopía óptica y electrónica, difracción de rayos X y espectrometría. Para la evaluación del desgaste se utilizó un tribómetro pin-on-disc y nanoindentación. Además, se realizó una simulación de elementos finitos para estudiar el comportamiento de la pileta fundida y determinar el gradiente térmico y la tasa de enfriamiento. Los resultados muestran que la velocidad es el único parámetro estadísticamente significativo que influye tanto en la densificación como en la microdureza. La muestra fabricada por LPBF muestra un aumento aproximado de 40% en la microdureza y una tasa de desgaste un 30% más baja que la muestra fabricada convencionalmente. La microestructura celular y columnar resultante de la ultrarrápida tasa de enfriamiento durante la solidificación permite una mayor deformación elástico-plástica y por lo tanto mejora la resistencia al desgaste. Finalmente, se concluye que la mejora en la resistencia al desgaste se debe a que la alta densidad de dislocaciones en el límite celular juega un papel clave en el efecto de fortalecimiento interfacial.
Epistemic uncertainty of linear building models and inelastic continuum concrete models
(2018) Chacón de la Cruz, Matías Fernando Nicolás; Llera Martin, Juan Carlos de la; Hube Ginestar, Matías Andrés; Pontificia Universidad Católica de Chile. Escuela de Ingeniería
Los modelos de edificios de hormigón armado (HA) consideran distintos supuestos de modelización que influyen en la precisión para la predicción de la respuesta sísmica. Además, su respuesta no lineal depende fuertemente del modelo de hormigón adoptado. Este estudio evalúa la incertidumbre epistémica inherente a los supuestos de modelización de HA tanto a nivel de respuesta lineal del edificio como a nivel de respuesta no lineal del material. La primera parte de esta tesis cuantifica la incertidumbre epistémica inherente en los supuestos de modelización mediante la evaluación de la respuesta sísmica de seis edificios instrumentados de HA del tipo planta libre. Se estudiaron cuatro supuestos de modelización lineal: (i) el tipo de elemento finito utilizado; (ii) la rigidez en el plano y fuera del plano de los diafragmas; (iii) el tipo de modelo de interacción suelo-estructura considerado; y (iv) la decisión sobre dónde aplicar el empotramiento a la base. La incertidumbre de la respuesta se evaluó primero comparando los períodos simulados con los medidos usando vibraciones ambientales. Además, se compararon parámetros globales de respuesta sísmica, como las fuerzas por piso, torques y desplazamientos entrepiso, entre un modelo de referencia y un conjunto de modelos variantes. En general, las incertidumbres asociadas en las fuerzas de corte del núcleo de muros fueron mayores que las fuerzas por piso y también mayores en los subterráneos que en los niveles superiores. La segunda parte de esta tesis evaluó la incertidumbre asociada con los modelos constitutivos inelásticos de hormigón para la formulaciones tri-dimensional (3D) y de tensiones planas. Se consideraron cinco modelos de hormigón: (i) el modelo plástico hiperbólico de Drucker-Prager (DPH); (ii) el modelo de plasticidad y daño de Lubliner-Lee-Fenves (LLF); (iii) el modelo de Wu-Li-Faría (WLF); (iv) el modelo de Faría-Oliver-Cervera (FOC); y (v) el modelo de grieta difusa total strain rotating (ROT). Se derivaron nuevas expresiones analíticas para la integración numérica de la tensión actualizada y el operador tangente consistente para todos los modelos. Los resultados se validaron con pruebas experimentales numéricas simples sometidas a diferentes estados de tensiones. Los efectos unilateral, la velocidad de deformación, el tamaño de la malla, y el fenómeno strain-localization se evaluaron usando estos modelos. Además, se propusieron recomendaciones de elementos finitos validadas para mejorar la convergencia de los modelos estudiados, en particular el uso de un operador tangente consistente suavizado y la incorporación de una técnica de regularización viscosa. Finalmente, se concluyó que la fuente más importante de incertidumbre epistémica de los modelos de materiales se observa en la energía disipada y la rigidez linealizada del último ciclo de descarga-carga en la mayoría de las pruebas simuladas.
Estudio de la interacción entre plastificantes y polímeros formadores de una película comestible mediante la correlación entre sus parámetros espectroscópicos y mecánicos
(2016) Palma Gavilán, Francisco Javier; Valenzuela Roediger, Loreto Margarita; Pérez, Ricardo; Pontificia Universidad Católica de Chile. Escuela de Ingeniería
La influencia de un plastificante sobre el comportamiento físico de una película comestible está dada por su interacción con los polímeros formadores. Por otro lado, el análisis de imágenes químicas por espectroscopía de infrarrojo cercano (NIR-CI) permite caracterizar la interacción entre compuestos mediante el análisis de la abundancia de los componentes y su variabilidad. Es por ello que en este trabajo se estudiaron las características estructurales y funcionales de películas comestibles de quitosano y gelatina en función de la adición de plastificantes (glicerol, sorbitol, polietilenglicol (PEG) 400 y triacetina), puros o en mezclas binarias. Además, se correlacionaron los parámetros de abundancia y de variabilidad con la resistencia a la tracción, el porcentaje de elongación y el módulo elástico de las películas. Los cambios observados en los valores de abundancia de los polímeros y en las propiedades mecánicas permitieron concluir que la triacetina presenta la menor interacción con los polímeros, mientras que PEG400 y glicerol mostraron alta interacción con ellos. Mediante el estudio de correlación se observó que la resistencia a la tracción se relaciona con la abundancia de los componentes y su variabilidad. En particular, el modelo y = 21 + 11,6 STD(Ge) - 12,9 STD(Ch) permitió conocer la alta correlación que existe entre la resistencia a la tracción y la variabilidad de la abundancia de la gelatina y el quitosano (R2 = 0,691 y valor p = 0,009). La caracterización mecánica de las películas con técnicas espectroscópicas mediante un análisis rápido y no invasivo se presenta como una nueva herramienta de caracterización en el ámbito del desarrollo industrial de películas comestibles.
Hydromechanical behavior of filtered copper tailing under static and cyclic loading in unsaturated condition
(2023) Gallardo Sepúlveda, Ricardo Ignacio; Sáez Robert, Esteban; Pontificia Universidad Católica de Chile. Escuela de Ingeniería
Se considera que los depósitos de relaves filtrados tienen una estabilidad mecánica superior que otras alternativas, porque funcionan en estado no saturado. Sin embargo, en las últimas dos décadas, dado el incremento en las alturas alcanzadas y su uso en países sísmicos como Chile, se requiere avanzar en la comprensión de su comportamiento hidromecánico ante carga monótonas como cíclicas. Este trabajo pretende contribuir a la comprensión del comportamiento de este tipo de relaves mediante; (i) el estudio de el de los efectos de la auto-compactación por preso propio sobre la rigidez y la resistencia al corte a través de ensayos de laboratorio no saturados, (ii) el análisis del efecto de las tasas de deposición sobre la estabilidad global y los incrementos de saturación a través de modelación en elementos finitos y (iii) la evaluación del incremento de la presión de agua y aire en los poros y sus efectos sobre una potencial falla de flujo o propensión a la licuación. Los resultados muestran que (i) el efecto de la succión ante cargas drenadas genera incrementos de la resistencia al corte y de la rigidez hasta el 600%, sin embargo, tiende a desaparecer a medida que aumenta el confinamiento, alcanzando hasta el 95% de grado de saturación, (ii) la potencial generación de una superficie de falla en depósitos simulados computacionalmente ocurre cuando el suelo alcanza un grado de saturación del orden del 65% al 70% y es independiente de las tasas de deposición, la inclinación del talud y la altura de la pila y (iii) la succión matricial bajo carga monótona y cíclica para una condición no drenada disminuye durante la fase de corte y por lo tanto progresivamente se va generando una transición hacia la condición totalmente saturada. Por otro lado, la relación de resistencia cíclica (CSR) aumenta hasta el 57.8%, sin embargo, la probeta pierde continuidad cuando se alcanza una deformación volumétrica superior al 2.5%.
Learning by prediction and integration: human-inspired approaches for natural language understanding
(2023) Araujo Vásquez, Vladimir Giovanny; Soto Arriaza, Álvaro Marcelo; Moens, Marie-Francine; Pontificia Universidad Católica de Chile. Escuela de Ingeniería
Dotar a las máquinas de las habilidades para representar y comprender el lenguaje natural para aplicaciones en el mundo real presenta un desafío importante en el área del procesamiento del lenguaje natural. Los modelos de lenguaje pre-entrenados basados en redes neuronales han logrado recientemente un rendimiento sobresaliente en varias tareas de comprensión del lenguaje natural. Aunque efectivos, estos modelos carecen de la capacidad que poseen los humanos para comprender textos. Por ejemplo, mientras leemos, podemos anticipar qué contenido vendrá a continuación o usar el conocimiento previo para comprender mejor un pasaje. Nuestra hipótesis es que los modelos de lenguaje actuales podrían beneficiarse de los mecanismos de procesamiento del lenguaje humano. En este trabajo, investigamos y proponemos diferentes enfoques para mejorar los modelos de lenguaje actuales, inspirándonos en las teorías de predicción e integración sobre comprensión de lenguaje en los seres humanos. Nuestras contribuciones muestran que los modelos de lenguaje pre-entrenados tienen algunas limitaciones y que aumentar los modelos con mecanismos humanos conduce a mejoras en la comprensión del lenguaje natural en varias tareas. En esta tesis presentamos seis aportes distribuidos en tres partes descritas a continuación. Primero, evaluamos modelos de lenguaje pre-entrenados de última generación bajo condiciones de estrés usando pruebas de competencia, distracción y ruido. Mostramos que estos modelos son algo robustos pero aún tienen dificultades cuando deben lidiar con entradas perturbadas, negaciones y razonamiento numérico. Además, evaluamos las representaciones resultantes de los modelos, mostrando que, al igual que los modelos en inglés, los modelos en español también producen representaciones de propósito general suficientemente buenas. Sin embargo, constatamos su limitado poder de representación a nivel de oración y discurso. En segundo lugar, exploramos métodos de población de memoria para modelos de lenguaje pre-entrenados bajo el paradigma de aprendizaje continuo con memoria episódica. Mostramos que la muestra aleatoria de la distribución global funciona lo suficientemente bien como para integrar el conocimiento previo y mitigar el olvido en el modelo, pero también algunas tareas se benefician más de los métodos de población basados en selección. Por otro lado, proponemos un método para enfrentar el dilema estabilidad-plasticidad que se presenta en el aprendizaje continuo. Mostramos que la entropía se puede utilizar como un factor de plasticidad para decidir cuánto se debe modificar una capa en un modelo basado en la entrada actual, mejorando su rendimiento y eficiencia. En tercer lugar, ampliamos la arquitectura de los modelos de lenguaje pre-entrenados con conocimientos de la teoría de la codificación predictiva. Demostramos que la incorporación de computación de abajo hacia arriba y de arriba hacia abajo para predecir oraciones futuras en el espacio latente en los modelos mejora las representaciones a nivel de oración y discurso. Por otro lado, proponemos un método que incorpora integración de memoria, ensayo de memoria y predicción para generar respuestas a preguntas dado una secuencia de datos. Nuestro enfoque aprovecha los mecanismos de atención cruzada para integrar la información en la memoria externa, y apoyado de anticipación y ensayo. Mostramos la efectividad de nuestro modelo tanto en secuencias basadas en texto como en video. En resumen, presentamos evaluaciones sistemáticas que demuestran la limitación de los modelos de lenguaje pre-entrenados actuales. Además, varios enfoques que mejoran dichos modelos siguen ideas del procesamiento del lenguaje humano, lo que demuestra que la inspiración humana aún plantea una forma de mejorar los modelos basados en redes neuronales. Al incluir mecanismos basados en humanos, reforzamos o agregamos algunas habilidades que los modelos de lenguaje no poseen y que son clave para obtener un procesamiento de lenguaje cercano al nivel humano.
Nuevas topologías de conversores multinivel en cascada
(2013) Pereda Torres, Javier Eduardo; Dixon Rojas, Juan; Pontificia Universidad Católica de Chile. Escuela de Ingeniería
Los conversores estáticos de potencia juegan un rol fundamental en la actualidad, ya que son utilizados en la generación, distribución y aplicación de la energía eléctrica. Sin embargo, estos conversores introducen contaminación en los sistemas eléctricos donde intervienen. Este problema va en aumento debido a su masificación, ya que son utilizados en el control de motores (responsables de gran parte del consumo mundial) y en la generación de energías renovables no convencionales, las que están incrementando su participación día a día. Por lo tanto, se ha vuelto primordial el desarrollo de tecnologías que aumenten la calidad de energía entregada por estos sistemas. Una solución a estos problemas son los conversores multinivel, los que han aparecido en las últimas décadas. Esta tesis presenta un trabajo de investigación en conversores de potencia multinivel, especialmente los conversores multinivel en cascada, donde primero se presenta una revisión y análisis profundo de sus aplicaciones, topologías, formas de conexión, asimetrías de voltaje, distribución de potencia, ventajas y desventajas. De este análisis se concluye que las principales desventajas de estos conversores son el uso de una gran cantidad de semiconductores y fuentes de voltaje aisladas, las cuales utilizan complejos, costosos, pesados y voluminosos transformadores, además de rectificadores trifásicos bidireccionales que requieren de un control adecuado.
On the automatic synthesis of modular industrial cyber-physical systems
(2024) Biskupovic Mancilla, Angel Eduardo; Núñez Retamal, Felipe Eduardo; Pontificia Universidad Católica de Chile. Escuela de Ingeniería
Los sistemas ciberfísicos industriales (ICPS) se consideran transversalmente como los sistemas de control industrial del futuro y como una de las tecnologías centrales de la cuarta revolución industrial en curso. A pesar de sus ventajas, los ICPS dependen en gran medida del proceso físico subyacente y su síntesis es un esfuerzo personalizado, exigente en terminos de recursos, que si no se realiza con cuidado puede afectar el rendimiento del sistema. Además, a medida que los ICPS se consolidan como soluciones de automatización maduras, han surgido preguntas sobre cómo aprovechar su flexibilidad para mantener el rendimiento. Este trabajo propone una metodología para abordar la síntesis de ICPS de forma sistemática, mediante el uso de un conjunto de agentes industriales que toman como entrada un archivo de descripción de proceso estandarizado y despliegan automáticamente un ICPS modular a partir de contenedores funcionales prediseñados. La implementacion inicial se demuestra a través de dos ejemplos específicos (un sistema de tanques y un espesador de pasta industrial) para ilustrar el potencial de la metodología propuesta. Los resultados indican que el ICPS puede realizar una síntesis automática independientemente del proceso, facilitada por un archivo de configuración, la utilización de agentes y una librería de componentes con servicios empaquetados en contenedores. Además, el sistema muestra adaptabilidad a diversos requisitos de proceso y puede repararse a sí mismo en caso de una falla del servicio, reduciendo así el tiempo de implementacion y puesta en marcha.Para facilitar el proceso de síntesis, dadas las limitaciones de los estandares industriales actuales para modelar la información, esta tesis propone un modelo de información basado en gráficos multicapa que facilita la tarea de interpretación al agente responsable.También se ha incorporado el concepto de clases y subclases, permitiendo clasificar nodos y relaciones en función de su apariencia y rol dentro del ICPS. El modelo incluye capas que clasifican los componentes del proceso en cuatro aspectos esenciales: red, lógico, físico y nube.Finalmente, la tesis concluye integrando tareas de toma de decisiones para mejorar el desempeño, la eficiencia y otros aspectos operativos del ICPS a través de un conjunto de agentes supervisores. Se realizaron pruebas en dos estudios de caso, que demostraron que el uso de agentes industriales para monitorear y reconfigurar los servicios del ICPS mejoró el desempeño de ambos sistemas propuestos.
Optimization under uncertainty for the management of hydroelectric resources
(2023) Favereau Monti, Marcel Joseph; Lorca Gálvez, Álvaro Hugo; Pontificia Universidad Católica de Chile. Escuela de Ingeniería
Hydroelectric generation management is considered a fundamental problem in the operation of power systems, where operations research has contributed significantly to decision making. One of the most relevant difficulties is that the decisions of storage and use of water resources in the present affect future decisions. Additionally, this problem presents another important challenge associated with the uncertain nature of hydro inflows, which is becoming even more complex today due to the consequences of climate change. Thus, this thesis proposes the development of optimization under uncertainty models to support medium- and long-term planning of hydrothermal system operations. First, this thesis proposes to develop a statistical model that represents the random behavior of hydro inflows in multinodal and multireservoir hydrothermal systems. The purpose is to capture statistical aspects such as trend, seasonality, spatio-temporal correlation, asymmetry and multiple modes present in historical hydrological data through the use of autoregressive models and variational inference algorithms. In a second part, it is proposed the development of a risk-averse optimization under uncertainty model that incorporates the previously proposed statistical methodologies for the medium-term operation of hydrothermal systems. The main objective is to determine an optimal generation policy capable of operating efficiently under the least favorable realizations of future hydrological trajectories. Finally, the third stage consists of the development of optimization under uncertainty models that support long-term energy planning and operation processes. The idea is to analyze the role of water in the interaction with other productive sectors such as agriculture, thus improving the efficiency of the use of their resources. This tool will also make it possible to anticipate future phenomena such as the penetration of new technologies, regulatory changes in the use of water resources or their low availability, and what would be the impacts on the resource management for different users.
Process mining to analyze educational trajectories in higher education
(2023) Salazar Fernández, Juan Pablo; Sepúlveda Fernández, Marcos Ernesto; Muñoz Gama, Jorge; Pontificia Universidad Católica de Chile. Escuela de Ingeniería
Las instituciones de educación superior enfrentan varios desafíos con respecto a la educación de pregrado. Estos incluyen cambios en la demografía de los estudiantes, aumento de los costos y aumento de la presión para mejorar las tasas de graduación y reducir la deserción, mientras se mantiene o mejora la calidad. La mayoría de las investigaciones para abordar esos desafíos se han realizado con un enfoque episódico o centrado en datos, aplicando técnicas estadísticas y de minería de datos para analizar eventos específicos en las trayectorias educativas. Se han realizado menos investigaciones utilizando métodos longitudinales, principalmente cualitativos. Tanto a nivel nacional como internacional, existe un interés creciente por comprender cómo se desarrolla la trayectoria educativa de los estudiantes en la educación superior y qué impacto tienen en ella las políticas públicas y las decisiones institucionales. Los investigadores, gestores académicos y legisladores creen que el análisis del aprendizaje puede ser esencial en el apoyo a la toma de decisiones. La analítica curricular ha surgido como un área de la analítica del aprendizaje que se centra en analizar los planes de estudio y mejorarlos. La analítica curricular puede contribuir a mejorar la comprensión de los aspectos clave del ciclo de vida del estudiante: acceso a la educación superior, retención, logro y progresión. A pesar de los avances logrados en esta área, se han identificado varios desafíos. En primer lugar, la comprensión de los procesos de decisión de los estudiantes que ocurren a lo largo del tiempo podría beneficiarse de un análisis orientado a procesos; en particular, con el uso de herramientas de minería de procesos para el análisis longitudinal de las trayectorias educativas de los estudiantes. En segundo lugar, se necesita metodologías específicas en este dominio, para hacer que los análisis realizados con minería de procesos sean repetibles y produzcan conocimientos más significativos. Además, el análisis de las trayectorias educativas en la educación superior generalmente requiere la integración de modelos específicos del dominio educativo. En esta tesis se aborda estas necesidades a través de dos contribuciones principales. Por un lado, se propone un método para analizar trayectorias educativas en instituciones de educación superior. Por otro lado, se crea tres modelos conceptuales que elevan el nivel de abstracción en el análisis de las trayectorias educativas, para que éste pueda realizarse con mayor eficacia. En la primera contribución, se desarrolló y perfeccionó el método propuesto a través de varios casos de estudio, desarrollados en la Universidad Austral de Chile y la Pontificia Universidad Católica de Chile. Su versión final considera un enfoque de almacenamiento de datos y la definición y uso de diferentes modelos conceptuales, basados en modelos de dominio conocidos, para construir los registros de eventos. El propósito de los modelos conceptuales, diseñados como diagramas de estado, es transformar los registros curriculares en registros de eventos que se pueden analizar utilizando Directly-Follows Graphs. En la segunda contribución se propone tres modelos conceptuales para analizar las trayectorias educativas. En primer lugar, se propone el modelo Retake-Stopout, para analizar las trayectorias educativas en función del número de cursos reprobados que los estudiantes deben volver a cursar. Se realizó dos estudios de caso para caracterizar las trayectorias educativas en el grupo de cursos con alta tasa de reprobación que conducen a la deserción tardía. El primer estudio muestra cómo el género, los ingresos y las habilidades matemáticas iniciales pueden explicar las diferencias en las trayectorias educativas de los estudiantes de ingeniería que conducen a la deserción tardía. El segundo estudio amplía este análisis a diferentes áreas de conocimiento de la CINE-UNESCO. En segundo lugar, se propone el modelo Backpack Process para analizar las trayectorias educativas sobre cursos reprobados que los estudiantes deben retomar. Un estudio de caso ilustra cómo este modelo ayuda a comprender cómo los estudiantes de ingeniería manejan los cursos reprobados que deben volver a cursar, y brinda información que podría contribuir al diseño e implementación de intervenciones oportunas en las instituciones de educación superior. Finalmente, se propone el modelo Scholarship-Loan-Self funded para describir las trayectorias de financiación de los estudiantes, ayudándonos a comprender las consecuencias de perder una beca basada en el mérito en el progreso curricular. Los estudiantes con un nivel socioeconómico bajo (SES bajo) generalmente deben lidiar con restricciones de liquidez, trabajo a tiempo parcial y aversión a la deuda. Conocer el impacto futuro de perder la beca en el progreso y la finalización del título puede ser útil para estudiantes, gestores académicos y legisladores. El método propuesto y sus modelos conceptuales asociados contribuyen a comprender las trayectorias educativas desde una perspectiva longitudinal, generando nuevo conocimiento sobre el comportamiento dinámico de los estudiantes. Las instituciones de educación superior pueden aprovechar al máximo la información histórica, utilizando los registros curriculares para analizar las trayectorias educativas y mejorar el proceso educativo.
Structural and functional characterization and engineering of Antartic enzymes as potential biocatalysts for polyethylene terephthalate (PET) degradation
(2023) Blázquez Sánchez, Paula; Ramírez Sarmiento, César Antonio; Pontificia Universidad Católica de Chile. Escuela de Ingeniería
El tereftalato de polietileno (PET) se ha convertido en uno de los principales residuos plásticos producidos a nivel mundial. En los últimos años se han descubierto microorganismos que poseen enzimas capaces de degradar el PET amorfo. La mayoría de estas enzimas son termófilas y presentan actividades óptimas de reacción entre los 60 °C y 70 °C, cerca de la temperatura de transición vítrea del PET. Posteriormente se descubrió una hidrolasa de poliéster en la bacteria mesófila Ideonella sakaiensis capaz de hidrolizar parcialmente el PET a 40 °C. En este trabajo, demostramos que hidrolasas de poliéster de las bacterias antárticas Moraxella sp. cepa TA144 (Mors1) y Oleispira antarctica cepa RB-8 (OaCut), descubiertas por técnicas bioinformáticas, hidrolizan el poliéster alifático policaprolactona y el poliéster aromático PET a una temperatura de 25 °C. Mors1 produce una reducción de peso de láminas de PET en el rango de las hidrolasas descritas previamente, constituyéndose así como la primera hidrolasa de PET psicrófila. El modelo estructural de Mors1 muestra que la composición de aminoácidos en el centro activo es similar al de sus homólogas termófilas y mesófilas. Además, el análisis metagenómico de muestras antárticas demostró que miembros de la familia Moraxellaceae portan genes que codifican otras potenciales hidrolasas de PET psicrófilas. Para mejorar la actividad de Mors1, se sustituyó un bucle altamente flexible del centro activo por el bucle equivalente de la enzima termófila LCC, lo que dio como resultado un aumento de 20 °C en la temperatura óptima de la actividad, así como un aumento de la actividad hidrolítica de PET de 4.8 veces. Simulaciones e dinámica molecular mostraron una ligera reducción en la flexibilidad en el centro activo de la enzima mutante, lo que sugiere que la actividad a temperaturas más altas se debe a una estabilización local del sitio activo. Estos resultados describen las primeras enzimas degradadoras de PET caracterizadas en organismos adaptados al frío y dan ideas sobre la relación entre la flexibilidad estructural, temperatura y actividad hidrolítica de PET de estas enzimas.
Studying psychiatric diseases using quantitative susceptibility mapping (QSM)
(2025) García Saborit, Marisleydis; Tejos Nuñez, Cristián Andrés; Pontificia Universidad Católica de Chile. Escuela de Ingeniería
Quantitative Susceptibility Mapping (QSM), a sophisticated MRI-based technique for quantifying brain magnetic susceptibility, has emerged as a valuable tool in exploring neurodegenerative diseases and, more recently, psychiatric disorders such as first-episode schizophrenia, depression, anxiety, and stress. This method allows the measurement of magnetic susceptibilities in various tissues, unveiling associations with diverse phenotypes like body iron, blood assays, diet, and alcohol consumption. Furthermore, investigations into genetic variations across the genome have revealed intriguing links between magnetic susceptibility and clusters of genes responsible for crucial biological functions, including iron regulation, calcium mechanisms, myelin development, and the extracellular matrix.Our primary objective in this thesis is to study associations between psychiatric illnesses and iron content in the gray matter nucleus utilizing QSM. In pursuit of this goal, we conducted two comprehensive analyses involving cohorts of first-episode psychosis patients from Chile and individuals with psychotic-like experiences from the UK biobank. The study scrutinized QSM and R2* differences in gray brain nuclei between patients and controls, employing linear mixed models to explore associations with demographic and clinical variables and genetic factors. Notably, the incorporation of polygenic risk scores (PGS) for psychotic-like experiences in our statistical analyses yielded significant differences in QSM and R2∗ rates between patients and control subjects. Organized into six chapters, our thesis begins with an introduction to the characteristics of psychotic diseases and image biomarkers. Subsequent chapters delve into the theoretical framework linking psychiatric disorders with magnetic susceptibility, detail the methodology employed, present the results, discuss the findings, and conclude with overarching insights. Our findings demonstrate that QSM serves as a powerful tool that may help to elucidate the neurophysiological processes in psychosis and their relationship with iron metabolism. Finally, the proposed methods contribute valuable insights to our current understanding and offer promising image biomarkers for ongoing and future psychiatric research.

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Browsing 3.01 Tesis doctorado by Subject "620"

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