3.01 Tesis doctorado

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    Toward resilient and sustainable communities: performance evaluation of light frame timber residential structures subjected to seismic and hurricane hazards
    (2024) Valdivieso Cascante, Diego Nicolas; Abbie B., Liel; Guindos Bretones, Pablo; López-García, González Diego; Pontificia Universidad Católica de Chile. Escuela de Ingeniería ; University of Colorado Boulder
    Esta tesis ofrece un análisis profundo sobre el comportamiento estructural y la modelización de estructuras de entramado ligero de madera. Destaca la importancia de un modelado en 3D que refleje con precisión el comportamiento real, frente a las aproximaciones simplificadas en 2D comúnmente usadas en el ámbito profesional. El objetivo principal de esta tesis es profundizar en el entendimiento de las respuestas estructurales ante riesgos sísmicos y huracanados en Chile y Puerto Rico, respectivamente. Esta mayor comprensión podría potenciar la resiliencia de las comunidades en estas zonas ambientalmente sensibles, haciendo al mismo tiempo que la construcción con madera sea más competitiva y factible como opción sostenible en el tiempo. Centrándose en la sostenibilidad, este estudio subraya el importante papel de la madera en la disminución del déficit habitacional y en la reducción de las emisiones de gases de efecto invernadero a nivel mundial. Basada en desempeño para evaluar los riesgos relacionados con los vientos huracanados. También se consideran los posibles impactos del cambio climático en la frecuencia e intensidad de los huracanes en la isla. Esta tesis integra varios aspectos del comportamiento de los edificios de madera bajo cargas sísmicas y de vientos huracanados, desafiando los enfoques de diseño convencionales y abogando por prácticas sostenibles y socialmente responsables. Las conclusiones y recomendaciones establecen un camino para el desarrollo de prácticas de construcción robustas, eficientes y sostenibles en áreas propensas a amenazas naturales. Se espera que investigaciones futuras expandan sobre los efectos de sistema y los efectos de las capas no estructurales para desarrollar la información necesaria para que los profesionales y académicos consideren tales efectos en el análisis de estructuras de madera. Las investigaciones futuras también deberían centrarse en desarrollar modelos integrales de cambio climático para la evaluación del riesgo ante múltiples amenazas, promoviendo así la resiliencia en comunidades vulnerables a nivel global
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    Analysis of the microstructure and electrochemical properties of Cu-NiAl used for molten carbonate fuel cell
    (2024) Arcos Segura, Camila Fernanda; Sancy, Mamié; Martínez, Carola; Pontificia Universidad Católica de Chile. Escuela de Ingeniería
    Global population growth has influenced further technological and scientific challenges, where the exponential increase in electricity demand stands out. In this context, it is necessary to continue researching alternatives to conventional energy generation to reduce greenhouse emissions. Fuel Cell technology is promising for lowering and storing carbon dioxide emissions in this context. It is a backup system to avoid intermittent problems with wind, solar, or other technologies. Fuel cells correspond to an electrochemical device that converts the chemical energy of a fuel directly into electrical energy. Their main components are the electrodes (anode and cathode), electronically conductive, and electrolyte. In particular, molten carbonate fuel cells use hydrogen as fuel, highlighting their excellent power. However, the high working temperature, close to 650 °C, is a disadvantage due to the reduction of the component’s lifetime. Therefore, for a long-term operation, electrode corrosion behavior must be considered. This thesis aims to study Cu-Ni-Al alloys' microstructure and electrochemical behavior for molten carbonate fuel cells. The metal samples were manufactured using powder metallurgical techniques, such as hot pressing and additive manufacturing. The porosity was analyzed using the Archimedes method. The micro-macrostructure of the samples will be studied before and after exposure to Li2CO3-K2CO3 at 550 °C using surface analysis, such as optical microscopy, field emission scanning electron microscopy, and X-ray diffraction. Moreover, gravimetric measurements before and after exposure and electrochemical impedance spectroscopy at open circuit potential were used to analyze the corrosion of the anodes in an aerated and controlled environment.
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    Assessing environmental and economic performance of Municipal Waste Services: an empirical application for Chile
    (2024) Llanquileo Melgarejo, Paula Iris; Molinos Senante, María; Pontificia Universidad Católica de Chile. Escuela de Ingeniería
    La recolección y manejo de los residuos sólidos urbanos (RSU) es un servicio público que impacta en el medio ambiente y la salud pública. A pesar de los esfuerzos realizados desde la política pública, a nivel global, el volumen de RSU generado ha aumentado notablemente en la última década. Es por ello que, en el contexto de economía circular, instituciones internacionales como las Naciones Unidas y la Unión Europea están impulsando la recogida selectiva y el reciclaje de residuos. Por otro lado, el aumento del volumen de RSU tiene marcadas consecuencias no solo desde el punto de vista ambiental sino también económico. Teniendo en cuenta las restricciones presupuestarias que afectan a los sectores públicos, mejorar el desempeño en la prestación de servicios de RSU ha sido identificado por los municipios como una excelente opción para mejorar la sustentabilidad en la gestión de RSU. La evaluación del desempeño de las municipalidades en la recolección y disposición de residuos es un tópico que comenzó a estudiarse en la última década, pero aún es incipiente. La mayoría de los estudios anteriores se centraron en evaluar el desempeño económico de los municipios en la gestión de RSU sin diferenciar entre residuos reciclados y no reciclados. La revisión de la literatura sobre este tema muestra que existen tres vacíos de conocimiento: i) evaluación del impacto de la recolección separativa y reciclaje de RSU en el desempeño a través de la comparación de los indicadores de eficiencia y eco-eficiencia; ii) evaluación del cambio en el desempeño de municipios en la gestión de RSU lo largo del tiempo; iii) evaluación del desempeño económico y ambiental de los municipios chilenos en la prestación de servicios de RSU. El objetivo principal de esta tesis es, evaluar el desempeño económico y ambiental de los municipios chilenos en la prestación de servicios de RSU. Para lograr este objetivo, se definieron los siguientes objetivos específicos: i) evaluar el impacto de la recolección selectiva y el reciclaje de RSU en el desempeño de los servicios de residuos municipales mediante la comparación de índices de eficiencia y ecoeficiencia; ii) evaluar si los cambios en las tasas de recolección selectiva y reciclaje de RSU han impactado en el desempeño ambiental y económico de los municipios a lo largo del tiempo comparando los índices de cambio de productividad y cambio de eco-productividad y; iii) identificar los factores externos a la gestión que realizan los municipios que inciden en su desempeño medido como eficiencia, ecoeficiencia, productividad y eco-productividad. Para lograr estos objetivos, se han aplicado varios modelos de análisis envolvente de datos (DEA). DEA es una técnica no paramétrica basada en programación lineal que mide el rendimiento relativo de las unidades en función del uso de inputs para producir outputs. Permite integrar outputs deseados, que en este caso son residuos reciclados, y outputs no deseados, residuos no clasificados. Por lo tanto, este enfoque metodológico permite la evaluación conjunta del desempeño económico y ambiental de los municipios en la prestación de servicios de RSU. De acuerdo con los objetivos planteados, esta tesis doctoral abarca 4 publicaciones científicas enfocadas en evaluar el desempeño económico y ambiental de los municipios chilenos utilizando una base de datos robusta de 2015 a 2019 cuyos principales resultados son los siguientes: i) El 40,4% de los municipios chilenos evaluados presentaron economías de escala negativas en la prestación de servicios de RSU. Este hallazgo evidencia que el tamaño actual de la operación de los municipios no es óptimo; por lo tanto, se debe promover la organización conjunta de sistemas de gestión de RSU; ii) la ecoeficiencia promedio de los municipios chilenos fue de 0,58 y el 92,3% de ellos no eran ecoeficientes; iii) la recolección selectiva y el reciclaje de RSU impactaron el desempeño de los municipios desde el punto de vista estadístico. El porcentaje de municipios ineficientes fue de 95,30% y 96,64%, según los scores de eficiencia y ecoeficiencia, respectivamente; iv) las estimaciones de cambio de productividad promedio son mayores que las asociadas a cambios en la eco-productividad para todos los años evaluados; v) los puntajes promedio agregados de cambio de productividad y cambio de ecoproductividad para 2015/19 fueron 2,73 y 1,33, respectivamente, lo que revela que el desempeño de los municipios chilenos también ha mejorado desde una perspectiva ambiental; vi) Se evidenció una divergencia considerable en los puntajes de cambio de eco-productividad entre los municipios chilenos y, por lo tanto, se recomienda desarrollar e implementar políticas a escala metropolitana o regional para aprovechar las economías de escala potenciales en la recolección y el tratamiento de RSU.
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    Topographical, climatic, and Geological controls of groundwater flow in mountain block recharge and groundwater - surface water interaction
    (2024) Marti, Etienne; Leray, Sarah; Yáñez, Gonzalo; Pontificia Universidad Católica de Chile. Escuela de Ingeniería
    Mountains, often referred to as the world's water towers, play a vital role in global water distribution. They receive significant precipitations and redistribute these waters to lower regions, thereby sustaining a major portion of our planet's water needs. Moreover, in the face of climate change and increasing human water consumption, lowland aquifers are experiencing unprecedented depletion. Thus, there is a crucial need to characterize all recharge sources arriving at the lowland aquifers, including both surface and groundwater contribution. Nevertheless, the complexity of mountain systems and their remoteness impede full comprehension of their functioning. In this context, this thesis aims to deepen our understanding of mountainous groundwater systems and their crucial connection to lowland basins. The methodology is two-fold, using parsimonious numerical models to grasp the broader hydrogeological dynamics, and secondly, implementing an innovative, interdisciplinary field study to examine local peculiarities. This study reveals that the topography highly influences aquifer desaturation patterns and hence groundwater-surface water interactions, further determining biogeochemical and ecological processes and impacting groundwater dependent systems. The slope contrast between flat and steep areas exerts the principal control, while landscape shape exerts a secondary control. Regarding geological heterogeneities, at the local scale, using a novel methodology, geological structures were identified and satisfactorily linked them to an increase in streamflow. Finally, in studying regional geological heterogeneities, the study unveils the role of such structures and their hydrodynamic properties on groundwater flows pattern and interbasins exchanges. The studied catchment consistently exchanges between 0 and 20% with surrounding catchments. while characterizing the contribution of mountain systems to lowland areas. This research by questioning existing groundwater paradigms and their applicability on mountain systems thoroughly study the groundwater flow controls improving paradigms definition in mountain systems. By establishing a robust framework for future research, it underscores the need for multidisciplinary approaches to develop a comprehensive understanding of mountainous regions as vital contributors to global water resources.
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    Molecular strategies and interactions between representative bacteria of the human gut microbiota during the utilization of glycomacropeptide
    (2024) González Morelo, Kevin José; Garrido Cortés, Daniel; Pontificia Universidad Católica de Chile. Escuela de Ingeniería
    The human gut microbiota plays an essential role in metabolizing complex dietary compounds that host enzymes cannot degrade. The prebiotic role of milk glycans, such as free human milk oligosaccharides (HMO), currently included in milk formulas to stimulate a healthy gut microbiota, has recently been validated. In addition, O-glycans are similarly complex oligosaccharides commonly found in intestinal mucins and milk proteins. While large extensions of O-glycans protect the epithelium cells, some gut microbes have been described to utilize them as carbon sources for colonization. O-glycans have been proposed as emerging prebiotics due to their remarkable similarity to host-associated glycans and HMO. Glycromacropeptide (GMP) is an O-glycosylated peptide obtained from whey during cheese manufacture. GMP could be considered a simple model of O-glycans to analyze the molecular mechanisms involved in metabolic interactions between gut microbes. This doctoral work aimed to determine the molecular strategies and microbial interactions while utilizing GMP as a carbon source. For this reason, this work pursues three specific objectives: i) To study co-expression networks in human milk oligosaccharides in Bifidobacterium species, ii) To study the mechanism of GMP O-glycan utilization by bacteria representative of the adult intestinal microbiome, and iii) To determine the metabolic cross-feeding interactions between representative bacteria of the human gut microbiome using GMP as a source of Oglycans. Chapter I critically discusses the different molecular strategies of O-glycan consumption by prominent bacteria of the gut microbiota currently available in the literature. Certain gut microbes can access, release, and consume O-linked glycans as a carbon source. Among these, Bifidobacterium bifidum and Bacteroides thetaiotaomicron are prominent O-linked glycan utilizers. Their consumption strategies include specialized α-fucosidases, α-sialidases, and endo-α-Nxvii Acetylgalactosaminidases that release galacto-N-biose (GNB) from peptides backbones. O-linked glycan utilization by certain gut microbes represents an important niche that allows them to predominate and modulate host responses such as inflammation. Chapter II focuses on the gene regulation of HMO to observe possible differences in gene expression architecture among Bifidobacterium species, as these oligosaccharides are chemically related to O-linked glycans. This chapter highlights in silico results from the co-expression networks obtained through WGCNA. This powerful systems biology methodology allows a better understanding of these oligosaccharides' consumption and gene expression. RNA-seq data obtained from Geo Datasets were obtained for Bifidobacterium longum subsp. infantis, Bifidobacterium bifidum and Bifidobacterium longum subsp. longum. Between 10 and 20 co-expressing modules were obtained for each dataset. HMO-associated genes appeared in the modules with more genes for B. infantis and B. bifidum, in contrast with B. longum. Hub genes were identified in each module and generally participated in conserved essential processes. Certain modules were differentially enriched with LacI-like transcription factors, and others with specific metabolic pathways, such as the biosynthesis of secondary metabolites. The three Bifidobacterium transcriptomes showed distinct regulation patterns for HMO utilization. HMO-associated genes in B. infantis co-expressed in two modules according to their participation in galactose or N-Acetylglucosamine utilization. Instead, B. bifidum showed a less structured coexpression of genes participating in HMO utilization. Finally, this category of genes in B. longum clustered in a small module, indicating a lack of co-expression with main cell processes, and suggesting a recent acquisition. Chapter III highlights complex strategies for utilizing O-glycans in GMP consumption among gut microbes based on cross-feeding and competition. Individual cultures of representative bacteria allowed the identification of the major GMPdegraders. Unidirectional assays identified galacto-N-biose, galactose, Nxviii Acetylgalactosamine, and sialic acid as by-products, providing a perspective on microbial interactions during GMP fermentation. Bidirectional assays demonstrated cross-feeding activity, competition between gut microbes, and promotion of butyrate from the fatty acids derived from GMP. O-glycan-specific enzyme expression was identified for B. infantis ATCC 15697 and B. bifidum JCM 1254 during GMP crossfeeding consumption. This study highlights complex strategies for utilizing o-glycans in GMP consumption among gut microbes based on cross-feeding and competition.