APRÈN. Portal de la producció docent del professorat de la UPC

The main objective of this thesis is to advance in the numerical modelling of interface elements for pullout tests in reinforced concrete. In order to accomplish it, the concrete and the bars are modelled with 3D solid finite elements, whereas the union between them will be characterised via the so-called quasi-zero-thickness interface elements. As it is a complex problem involving finite elements combined with joint elements, non-linear constitutive behaviour (using a damage model) and contact between the concrete and the bar, the corresponding governing equations and formulation is posed in the present work. The origins of Finite Element Method as well as the basic concepts used on this thesis are introduced first. Also, the isotropic damage model and the formulation for the used interface elements are presented. By coupling these two concepts, the formulation as well as the governing equations used on the simulations are clearly understood. Furthermore, the explicit solution employed on this thesis is also presented, together with the numerical optimisation carried on. Finally, to have a global and practical vision of the presented concepts, three different examples are simulated, explained and discussed. Each of these examples presents a series of cases to understand how all the formulation is applied and, indeed, to advance in the numerical modelling of interface elements in the pullout tests.

This work claims to improve the teaching given in various subjects in the Materials Science area. The improvement is to be carried out with the creation of a Virtual Laboratory of Materials Science and Engineering, which helps and complements the understanding of the training activities that are carried out. CIMNE, the International Center for Numerical Methods in Engineering, has developed a prototype of the virtual laboratory for Strength of Materials (RdM). This laboratory allows to analyze the behavior of specimens in compression and tensile and Brazilian tests in elastic regime and at break. The methodology employed to evaluate the breakage of concrete parts and structures and its application to three typical tests in material resistance laboratories is described. The results of the trials are compared and analyzed. This work analyzes the detected requirements of scientific-technical teachings, on the design and functionality of a Virtual Laboratory. It pretends to serve as a complement to experimental teaching in the classroom laboratory. The work details the structure of the laboratory, the analysis performed, the collection of data on different physical variables, the results obtained viewed in a three-dimensional environment and the discussion of said results.

The rapid increase in events with massive influx of people and transportation hubs has led to an increasing demand for tools to predict, plan and operate so that safety, comfort and fluidity of pedestrians are ensured. Prediction of pedestrian movement extends to the whole closed cycle of planning, construction, remodelling and operation of buildings, infrastructure and open space. Furthermore, it involves architects, event planners, regulators, approving officials, first responders and operators. The outcome of this thesis will be a modelling and simulation tool of crowd behaviour and a methodology to implement it in the field of pedestrian safety and fluidity in massive events.

In 2011, a huge tsunami stroke the north-eastern Japanese coast and caused numerous devastations, especially on public infrastructures such as highways, railways, bridges, etc. As bridges are essential for the recovery and prevention of a tsunami strike in terms of transporting goods and people, the prevention of the wash out phenomenon of the upper structure of the bridge is very important. With this motivation, a study of the wash out behaviour has been carried out using the Particle Finite Element Method (PFEM) for solving fluid-structure interaction problems. To validate the simulations carried out, a comparison between the simulations and some real-life experiments has been made. In the experiments, the motion of the girder (upper part of the bridge) has been tracked during the hit of the wave. Plus, a comparison between the simulations of the same problem with different mesh sizes has been done in order to compare and judge which mesh size best fits this specific problem. It is found that the rigid body motion of the girder of the bridge shows good agreement with the experimental results, and the optimal mesh size for this problem regarding the accuracy of results and computational time is the 10-mm mesh size.

El objetivo de la tesina será avanzar en la implementación de métodos numéricos para la modelización de la interacción entre fluido-estructura y fluido-partícula utilizando PFEM, elementos sólidos en tres dimensiones y partículas discretas (DEM). Con este tipo de metodología se pretende estudiar los posibles efectos producidos por desastres naturales como avenidas, inundaciones, desprendimientos, etc. en las que un fluido puede arrastrar objetos de distinto tamaño

Esta tesina presenta y valida un método computacional desarrollado en CIMNE para resolver el problema multifásico asociado a la recuperación de petróleo en las probetas experimentales de laboratorio. Primeramente, se hace un breve explicación de los conceptos físicos más relevantes asociados a los procesos de recuperación de petróleo, conocidos como procesos de recuperación de petróleo mejorados. De esta forma, el problema físico y la solución numérica adoptada son mas fácilmente entendibles. El método computacional desarrollado simula los experimentos que se realizan en laboratorio sobre probetas cilíndricas y las analiza utilizando un enfoque multiescala. La macro escala analiza la probeta con las mismas condiciones presentadas en el laboratorio mientras que la micro escala analiza la probeta a escala de poro. Del modelo mesoscopico se obtienen las curvas de permeabilidad relativa, las cuales son transferidas al modelo macroscópico para evaluar la saturación de las fases en el tiempo y obtener el petróleo residual. El objetivo de este trabajo es evaluar la validez del método desarrollado en la mesoescala. Esta validación se lleva a cabo realizando unos análisis de sensibilidad que estudian las curvas de permeabilidad relativa obtenidas y así poder detectar si el modelo genera buenos resultados o no.

Recientemente en el CIMNE se ha desarrollado un programa de cálculo eficiente (PARACHUTES) para simular el problema fluido-estructura con un análisis acoplado, donde la aerodinámica se resuelve con un modelo de flujo potencial y la estructura con elementos finitos. El objetivo del proyecto es evaluar la eficiencia de este nuevo programa de cálculo en el análisis de hangares hinchables expuestos al viento, comparando los resultados con los obtenidos con otras metodologías numéricas y experimentales actualmente en uso.

The objective of this thesis is to evaluate the efficiency of a new numerical technique that couples the well known finite element method (FEM) with the discrete element method (DEM) in order to predict the onset and evolution of fractures in a continuum subjected to a loading system. Additionally, will be exposed the advantages of using the FEM-DEM theory rather than other existing formulations such as the DEM or the classic damage models. The FEM-DEM formulation initially behaves as a damage model. These models consider that the non-linear behaviour of a cohesive-frictional material is directly related to the creation and propagation of micro-fractures inside the continuum. Once a finite element surpasses a certain level of damage, the FEM-DEM formulation removes that finite element and the discrete elements are generated at the nodes of the damaged element. It is for this reason that the formulation is named FEM-DEM, the model defines the initial geometry with finite elements which are going to be loaded and, according to the stress level, removed and substituted with discrete elements. Firstly, the FEM-DEM has been used to simulate the behaviour of rock samples subjected to uni-axial, indirect tensile and shear tests. The previous examples were of central importance to validate the code and ensure its correctness. Finally, two examples related to civil/mining methods were performed, a tunnel portal subjected to a sequential blast loading and a masonry arch with a differential settlement.

La optimización de los recursos y la adaptabilidad de las estructuras a su ambiente son nuevas tendencias en la arquitectura y la ingeniería estructural. Al mismo tiempo, las estructuras efímeras están ganando relevancia en el mercado por sus usos en tareas de mantenimiento y reparación, organización de eventos, operaciones de salvamento y emergencia y obras temporales. Las estructuras hinchables satisfacen dos de los puntos arriba mencionados: usan poco material y son adecuadas para usos efímeros debido a su bajo volumen al desinflarse y su ligereza. También son adaptables en cuanto que su presión determina su capacidad de carga máxima. Sin embargo, son poco aptas para ambientes donde se esperan cargas externas elevadas. Tensairity aparece como una solución a este problema, incrementando la resistencia de carga máxima de las estructuras inflables sin renunciar a sus otras ventajas. Esta tecnología añade dos elementos estructurales a la viga hinchable, con mayor resistencia frente a esfuerzos, para redistribuir la carga. El elemento inflable sirve entonces para acoplar los elementos rígidos y para evitar el pandeo. Este trabajo presenta y explora posibilidades de diseño de vigas Tensairity con atención especial a su modelado computacional. Después, se investiga sobre vigas Tensairity modulares como solución de pasarelas portátiles. Se ha construido un prototipo para probarlo bajo condiciones de servicio y valorar así su validez a nivel comercial.

L'evolució de la fractura en materials quasi-fràgils com el formigó, les roques, o els sòls, sovint és tractada amb estovament de deformacions dins el marc de la mecànica del dany continu. Aquestes relacions constitutives afavoreixen la localització fictícia de deformacions i el mal plantejament del les equacions i condicions de contorn del problema i, per tant, necessiten algun tipus de regularització. En aquest treball es plantegen dues metodologies diferents: un model de dany local parcialment regularitzat que ajusta la part d'estovament de la llei tensió-deformació en funció de la mida de l'element, i un model de dany no local plenament regularitzat que introdueix la longitud característica com un paràmetre del material addicional, que controla l'extensió de la zona de fractura. D'altra banda, l'estovament de deformació d'aquests models normalment porta associades respostes estructurals complexes, incloent les de tipus ”snapback” i, per això, en aquesta tesina també exposarem les conseqüències de la no-linealitat associada als problemes de dany, i presentarem un mètode d'arc global per traçar el camí d'equilibri de la solució. A més, en el marc dels models de dany no locals, és crucial treballar amb discretitzacions de l'espai prou fines a les zones de progrés del dany, per tal que els elements siguin menors que la longitud característica. En aquest sentit, s'ha implementat un tècnica de refinament de malla adaptatiu amb l'objectiu de millorar l'eficiència dels anàlisis numèrics. Finalment, s'han dut a terme dos exemples clàssics, l'assaig d'una biga flectada per tres punts, i l'assaig d'una biga amb flexió no simètrica per quatre punts, amb l'objectiu de provar l'objectivitat de malla del model de dany no local, i analitzar els punts forts i limitacions del mètode de refinament de malla adaptatiu.

En el presente documento se adjunta el informe en el cual se describe el método de elementos finitos para vigas compuestas de Timoshenko. Explicando la teoría del cálculo y su posterior implementación mediante el programa MAT-fem. Se describe detalladamente el proceso de programación y se adjuntan diferentes ejemplos. Además, también se muestra un ejemplo real.

El fenómeno de erosión es un tema de vital importancia en el ámbito de la ingeniería civil, especialmente en ingeniería de ríos. En este trabajo se analizan las posibilidades del método de elementos finitos y partículas (PFEM) para abordar este tipo de problemas. El PFEM es una variante del método de elementos finitos clásico (FEM); se ha empezado a utilizar principalmente para modelizar el movimiento de fluidos. El programa que se ha utilizado es el Pflow, desarrollado en CIMNE (Centro Internacional de Métodos Numéricos aplicados a la Ingeniería) durante los últimos años. Se utiliza una formulación Lagrangiana para las ecuaciones de de la dinámica de fluidos, y como característica novedosa, el programa calcula una nueva malla a cada nuevo paso de tiempo calculado. Para entender el proceso de erosión se ha hecho una búsqueda en todas aquellas disciplinas que abordan el tema de la erosión: ingeniería de ríos, mecánica de fluidos y métodos numéricos principalmente. Ha sido de gran ayuda el estudio de la teoría de la capa límite y el estudio del perfil de velocidades. El principal problema de estas teorías es que los métodos de erosión no son aplicables a los métodos numéricos. En las teorías encontradas, la erosión se calcula a partir de las características principales del fluido como pueden ser el calado o la velocidad media, pero en el ámbito de los elementos finitos las variables deben ser locales. Resolviendo las ecuaciones de la dinámica de fluidos podemos llegar a conocer la velocidad y la presión de cualquier nodo del dominio, pero a nivel local, se desconocen las características generales del problema. Con este conflicto y en base a toda la teoría consultada se ha desarrollado un nuevo criterio de erosión: se calcula la tensión sobre todos los nodos del terreno y se compara con una tensión crítica, si la tensión es superior el nodo se acabará desprendiendo del terreno. La novedad de este método es que la tensión sobre el nodo se calcula solamente a partir de las variables locales: la velocidad de los nodos del fluido vecinos, la presión y las características geométricas de la malla.Para validar el criterio de erosión se comparan los resultados obtenidos numéricamente con los resultados teóricos que cabría esperar en un canal 2D. También, se ha podido comparar el resultado numérico con unos ensayos experimentales que modelan el problema de rotura de presa.

This dissertation is the result of the implementation of a Discrete Element Method code in an open source object-oriented software platform called Kratos developed in CIMNE (Barcelona). After the introduccion and the objectives, a brief review on the Discrete Element Method in its basic conception is presented in the third chapter of the document while the theoretical developments and discussions for the application of the method to continous media, specially to conctrete testing simulation, can be found in the fourth chapter. Also here, special attention is paid to the capabilities of this method when it is applied to continuous media; several numerical analisis are performed here to show the possibilities and limitations of the method in the fifth chapter. In the sixth chapter, the Kratos framework is introduced and the basic structure of the developed application is explained. The implementation of the utilities that permit, from a user-friendly interface, perform concrete test simulations can be found here. Furthermore, the possibilities and advatages that the Kratos framework provides the DEM-Application are shown as well as examples of how the code behaves in terms of High Performance Computing. Additionally, examples of coupling of this application with other codes and work done by other researchers in the institution are here presented. In the seventh chapter, the results of the different concrete simulation tests can be found as a verification of the code comparing with the results obained by Dempack. Finally, in the last chapter some conclusions and future work is presented. The objective of the KDEM, in its conception, was to have a base program for the DEM coded in a very powerful and versatile platform, the open-source multiphysics code Kratos. This permits different researchers extending and improving the code as well as using as a closed package for projects and simulation by advanced users and engineers. Previous to this, in CIMNE, another code based on the Discrete Element Method has been used for engineering projects, Dempack. When the KDEM code started the purpose was to provide CIMNE a general DEM application able to be parallelized and to be combined with other fluid or structure applications. At the same time, a lot of implementation has been done in order to substitute, and improve if possible, the existing code Dempack; part of this thesis focuses on the concrete test simulation, a field where CIMNE has currently projects ongoing. The result of this work accomplishes the objective of providing Kratos a general purpose paralelizable Discrete Element Method application which is the of the interest of CIMNE. In a second term, it presents the first promising results in the field of Concrete Test Simulation, following the objective of substituing in the future, the existing application, Dempack.