Aplicación del método de los elementos finitos a problemas de interpolación

Como es conocido, no siempre admite solución el problema de interpolación polinómica de Birkhoff. En este trabajo se presenta un método como alternativa a este tipo de problemas para la obtención de interpolantes con unas determinadas conclusiones de continuidad y en el cual el criterio de aproximación es el de minimización de un cierto funcional real utilizando el método de los elementos finitos. Se describe el método empleado, así como diversos ejemplos l-D y la extensión a problemas 2-D.

Desarrollo de familias jerárquicas de elementos finitos de clase CK

Existen numerosas situaciones en la Técnica para las que es preciso resolver problemas de condiciones iniciales y contorno con una elevada exigencia de continuidad en las soluciones. Algunos ejemplos no exhaustivos se citan a continuación: flexión de vigas y placas en el análisis de las estructuras, problemas de láminas, topografía, trazado de vías de comunicación, definición geométrica de estructuras o reconocimiento caligráfico. Para ello se utilia el método de los elementos finitos que constituye en la actualidad una técnica matemática de discretización bien establecida . Su eficiencia se manifiesta en particular en la resolución de problemas de contorno planteados en su formulación débil y en los problemas de determinación de extrema les de funcionales.

Elementos finitos en suelos deformables

En el estudio de determinados elementos estructurales de clmentacl6n -vigas y losas flotantes, pilotes, etc. - se han desarrollado modelos simplificados para simular el omportamiento del terreno, asomilándolo a un medio continuo y elástico. Esta idealización, claramente alejada de la realidad, ha sido y aún sigue siendo utilizada en numerosos casos en los que el grado de fiabilidad requerido no hace recomendable el recurrir a técnicas de análisis más sofisticadas y económicamente más costosas, como podrfa ser, por ejemplo, la discretización del conjunto "elemento estructural-terreno de cimentación" mediante elementos finitos.

Modelos de elementos finitos explícitos para explosiones en estructuras reticuladas de hormigón armado : aplicaciones al estudio del colapso de edificios

La frecuencia con la que se producen explosiones sobre edificios, ya sean accidentales o intencionadas, es reducida, pero sus efectos pueden ser catastróficos. Es deseable poder predecir de forma suficientemente precisa las consecuencias de estas acciones dinámicas sobre edificaciones civiles, entre las cuales las estructuras reticuladas de hormigón armado son una tipología habitual. En esta tesis doctoral se exploran distintas opciones prácticas para el modelado y cálculo numérico por ordenador de estructuras de hormigón armado sometidas a explosiones. Se emplean modelos numéricos de elementos finitos con integración explícita en el tiempo, que demuestran su capacidad efectiva para simular los fenómenos físicos y estructurales de dinámica rápida y altamente no lineales que suceden, pudiendo predecir los daños ocasionados tanto por la propia explosión como por el posible colapso progresivo de la estructura. El trabajo se ha llevado a cabo empleando el código comercial de elementos finitos LS-DYNA (Hallquist, 2006), desarrollando en el mismo distintos tipos de modelos de cálculo que se pueden clasificar en dos tipos principales: 1) modelos basados en elementos finitos de continuo, en los que se discretiza directamente el medio continuo mediante grados de libertad nodales de desplazamientos; 2) modelos basados en elementos finitos estructurales, mediante vigas y láminas, que incluyen hipótesis cinemáticas para elementos lineales o superficiales. Estos modelos se desarrollan y discuten a varios niveles distintos: 1) a nivel del comportamiento de los materiales, 2) a nivel de la respuesta de elementos estructurales tales como columnas, vigas o losas, y 3) a nivel de la respuesta de edificios completos o de partes significativas de los mismos. Se desarrollan modelos de elementos finitos de continuo 3D muy detallados que modelizan el hormigón en masa y el acero de armado de forma segregada. El hormigón se representa con un modelo constitutivo del hormigón CSCM (Murray et al., 2007), que tiene un comportamiento inelástico, con diferente respuesta a tracción y compresión, endurecimiento, daño por fisuración y compresión, y rotura. El acero se representa con un modelo constitutivo elastoplástico bilineal con rotura. Se modeliza la geometría precisa del hormigón mediante elementos finitos de continuo 3D y cada una de las barras de armado mediante elementos finitos tipo viga, con su posición exacta dentro de la masa de hormigón. La malla del modelo se construye mediante la superposición de los elementos de continuo de hormigón y los elementos tipo viga de las armaduras segregadas, que son obligadas a seguir la deformación del sólido en cada punto mediante un algoritmo de penalización, simulando así el comportamiento del hormigón armado. En este trabajo se denominarán a estos modelos simplificadamente como modelos de EF de continuo. Con estos modelos de EF de continuo se analiza la respuesta estructural de elementos constructivos (columnas, losas y pórticos) frente a acciones explosivas. Asimismo se han comparado con resultados experimentales, de ensayos sobre vigas y losas con distintas cargas de explosivo, verificándose una coincidencia aceptable y permitiendo una calibración de los parámetros de cálculo. Sin embargo estos modelos tan detallados no son recomendables para analizar edificios completos, ya que el elevado número de elementos finitos que serían necesarios eleva su coste computacional hasta hacerlos inviables para los recursos de cálculo actuales. Adicionalmente, se desarrollan modelos de elementos finitos estructurales (vigas y láminas) que, con un coste computacional reducido, son capaces de reproducir el comportamiento global de la estructura con una precisión similar. Se modelizan igualmente el hormigón en masa y el acero de armado de forma segregada. El hormigón se representa con el modelo constitutivo del hormigón EC2 (Hallquist et al., 2013), que también presenta un comportamiento inelástico, con diferente respuesta a tracción y compresión, endurecimiento, daño por fisuración y compresión, y rotura, y se usa en elementos finitos tipo lámina. El acero se representa de nuevo con un modelo constitutivo elastoplástico bilineal con rotura, usando elementos finitos tipo viga. Se modeliza una geometría equivalente del hormigón y del armado, y se tiene en cuenta la posición relativa del acero dentro de la masa de hormigón. Las mallas de ambos se unen mediante nodos comunes, produciendo una respuesta conjunta. En este trabajo se denominarán a estos modelos simplificadamente como modelos de EF estructurales. Con estos modelos de EF estructurales se simulan los mismos elementos constructivos que con los modelos de EF de continuo, y comparando sus respuestas estructurales frente a explosión se realiza la calibración de los primeros, de forma que se obtiene un comportamiento estructural similar con un coste computacional reducido. Se comprueba que estos mismos modelos, tanto los modelos de EF de continuo como los modelos de EF estructurales, son precisos también para el análisis del fenómeno de colapso progresivo en una estructura, y que se pueden utilizar para el estudio simultáneo de los daños de una explosión y el posterior colapso. Para ello se incluyen formulaciones que permiten considerar las fuerzas debidas al peso propio, sobrecargas y los contactos de unas partes de la estructura sobre otras. Se validan ambos modelos con un ensayo a escala real en el que un módulo con seis columnas y dos plantas colapsa al eliminar una de sus columnas. El coste computacional del modelo de EF de continuo para la simulación de este ensayo es mucho mayor que el del modelo de EF estructurales, lo cual hace inviable su aplicación en edificios completos, mientras que el modelo de EF estructurales presenta una respuesta global suficientemente precisa con un coste asumible. Por último se utilizan los modelos de EF estructurales para analizar explosiones sobre edificios de varias plantas, y se simulan dos escenarios con cargas explosivas para un edificio completo, con un coste computacional moderado. The frequency of explosions on buildings whether they are intended or accidental is small, but they can have catastrophic effects. Being able to predict in a accurate enough manner the consequences of these dynamic actions on civil buildings, among which frame-type reinforced concrete buildings are a frequent typology is desirable. In this doctoral thesis different practical options for the modeling and computer assisted numerical calculation of reinforced concrete structures submitted to explosions are explored. Numerical finite elements models with explicit time-based integration are employed, demonstrating their effective capacity in the simulation of the occurring fast dynamic and highly nonlinear physical and structural phenomena, allowing to predict the damage caused by the explosion itself as well as by the possible progressive collapse of the structure. The work has been carried out with the commercial finite elements code LS-DYNA (Hallquist, 2006), developing several types of calculation model classified in two main types: 1) Models based in continuum finite elements in which the continuous medium is discretized directly by means of nodal displacement degrees of freedom; 2) Models based on structural finite elements, with beams and shells, including kinematic hypothesis for linear and superficial elements. These models are developed and discussed at different levels: 1) material behaviour, 2) response of structural elements such as columns, beams and slabs, and 3) response of complete buildings or significative parts of them. Very detailed 3D continuum finite element models are developed, modeling mass concrete and reinforcement steel in a segregated manner. Concrete is represented with a constitutive concrete model CSCM (Murray et al., 2007), that has an inelastic behaviour, with different tension and compression response, hardening, cracking and compression damage and failure. The steel is represented with an elastic-plastic bilinear model with failure. The actual geometry of the concrete is modeled with 3D continuum finite elements and every and each of the reinforcing bars with beam-type finite elements, with their exact position in the concrete mass. The mesh of the model is generated by the superposition of the concrete continuum elements and the beam-type elements of the segregated reinforcement, which are made to follow the deformation of the solid in each point by means of a penalty algorithm, reproducing the behaviour of reinforced concrete. In this work these models will be called continuum FE models as a simplification. With these continuum FE models the response of construction elements (columns, slabs and frames) under explosive actions are analysed. They have also been compared with experimental results of tests on beams and slabs with various explosive charges, verifying an acceptable coincidence and allowing a calibration of the calculation parameters. These detailed models are however not advised for the analysis of complete buildings, as the high number of finite elements necessary raises its computational cost, making them unreliable for the current calculation resources. In addition to that, structural finite elements (beams and shells) models are developed, which, while having a reduced computational cost, are able to reproduce the global behaviour of the structure with a similar accuracy. Mass concrete and reinforcing steel are also modeled segregated. Concrete is represented with the concrete constitutive model EC2 (Hallquist et al., 2013), which also presents an inelastic behaviour, with a different tension and compression response, hardening, compression and cracking damage and failure, and is used in shell-type finite elements. Steel is represented once again with an elastic-plastic bilineal with failure constitutive model, using beam-type finite elements. An equivalent geometry of the concrete and the steel is modeled, considering the relative position of the steel inside the concrete mass. The meshes of both sets of elements are bound with common nodes, therefore producing a joint response. These models will be called structural FE models as a simplification. With these structural FE models the same construction elements as with the continuum FE models are simulated, and by comparing their response under explosive actions a calibration of the former is carried out, resulting in a similar response with a reduced computational cost. It is verified that both the continuum FE models and the structural FE models are also accurate for the analysis of the phenomenon of progressive collapse of a structure, and that they can be employed for the simultaneous study of an explosion damage and the resulting collapse. Both models are validated with an experimental full-scale test in which a six column, two floors module collapses after the removal of one of its columns. The computational cost of the continuum FE model for the simulation of this test is a lot higher than that of the structural FE model, making it non-viable for its application to full buildings, while the structural FE model presents a global response accurate enough with an admissible cost. Finally, structural FE models are used to analyze explosions on several story buildings, and two scenarios are simulated with explosive charges for a full building, with a moderate computational cost.

Evaluación de acciones explosivas sobre estructuras de hormigón armado mediante elementos finitos.

El fenómeno de explosión sobre estructuras de hormigón tiene efectos en muchos casos catastróficos a pesar de su reducida frecuencia. Las edificaciones civiles no suelen estar diseñadas para resistir este tipo de solicitación dinámica, por lo que conviene disponer de una metodología que permita analizar los efectos de las explosiones sobre las mismas. Este trabajo estudia el comportamiento de las estructuras reticuladas de hormigón armado frente a estas acciones, mediante métodos numéricos de elementos finitos lagrangianos con integración explícita en el tiempo. Se analizan de forma realista partes de la estructura como columnas y forjados usando modelos con hormigón y armaduras de forma segregada, pero las limitaciones computacionales los hacen inviables para estructuras completas. Se proponen modelos de elementos lámina y viga debidamente calibrados para obtener una respuesta similar. Se obtienen conclusiones para el uso y calibración de modelos y simulaciones realistas de edificios completos para estudios de seguridad.

Modelación numérica de deslizamientos de ladera en embalses mediante el método de partículas y elementos finitos (PFEM)

Se presentan resultados obtenidos mediante la aplicación del MétododePartículasyElementosFinitos (PFEM) en la simulación dedeslizamientosdeladeraenembalses. Es un fenómeno complejo, por la interacción entre el material deslizado, la masa de agua del embalse, yel conjunto formado por el vaso y la presa. PFEM es un esquema numérico original con el que se ha afrontado con éxito la resolución de problemas de interacción fluido-estructura. Combina un enfoque Lagrangiano con la resolución de las ecuaciones deelementosfinitosmediante la generación de una malla, que se actualiza en cada paso de tiempo. Se presentan resultados de casos de validación en los que se han reproducido ensayos en laboratorio existentes en la bibliografía técnica. Se muestran también otros cálculos más complejos, sobre la cartografía a escala real de un embalse, donde se aprecia el fenómeno de generación de la ola, su propagación por el embalse y la afección a la presa. Por último, se ha modelado el deslizamiento ocurrido en 1958 en la bahía de Lituya (Alaska), enel que la caída de 90 millones de toneladas de roca produjo una ola que alcanzó una sobreelevación máxima de 524 m en la ladera opuesta. Los resultados permiten afirmar que PFEM puede ser una herramienta útil enel análisis de riesgos frente a este tipo de fenómenos, ofreciendo una buena aproximación de las afecciones potenciales

Modelos de elementos finitos con aplicación tridimensional de la analogía fluido-fibra, para predecir el comportamiento mecánico de piezas estructurales de madera bajo la presencia de los principales tipos de nudos

Los nudos son los defectos que más disminuyen la resistencia de piezas de madera en la escala estructural, al ocasionar no solo una discontinuidad material, sino también la desviación de las fibras que se encuentran a su alrededor. En la década de los 80 se introdujo la teoría de la analogía fluido-fibra, como un método que aproximaba adecuadamente todas estas desviaciones. Sin embargo en su aplicación tridimensional, nunca se consideraron las diferencias geométricas en el sentido perpendicular al eje longitudinal de las piezas estructurales, lo cual imposibilitaba la simulación numérica de algunos de los principales tipos de nudos, y disminuía la precisión obtenida en aquellos nudos en los que la modelización sí era viable. En este trabajo se propone un modelo programado en lenguaje paramétrico de un software de elementos finitos que, bajo una formulación en tres dimensiones más general, permitirá estudiar de forma automatizada el comportamiento estructural de la madera bajo la influencia de los principales tipos de nudos, a partir de la geometría visible de los mismos y la posición de la médula en la pieza, y el cual ha sido contrastado experimentalmente, simulando de forma muy precisa el comportamiento mecánico de vigas sometidas a ensayos de flexión a cuatro puntos. Knots are the defects that most reduce the strength of lumber at the structural level, by causing not only a material discontinuity but also the deviation of the fibers that surround them. In the 80's it was introduced the theory of the flow-grain analogy as a method to approximating adequately these deviations. However, in three-dimensional applications, geometrical differences in the direction perpendicular to the longitudinal axis of the structural specimens were never considered before, which prevented the numerical simulation of some of the main types of knots, and decreased the achieved precision in those kind of knots where modeling itself was possible. This paper purposes a parametric model programmed in a finite element software, in the way that with a more general three-dimensional formulation, an automated study of the structural behavior of timber under the influence of the main types of knots is allowed by only knowing the visible geometry of such defects, and the position of the pith. Furthermore that has been confirmed experimentally obtaining very accurately simulations of the mechanical behavior of beams under four points bending test.

Análisis estructural de algunas obras de Félix Candela mediante modelos de Elementos Finitos

Por su facilidad constructiva y la relativa sencillez de su análisis estructural, el paraboloide hiperbólico de hormigón armado es una forma profusamente utilizada por el arquitecto Félix Candela (1910-1997). En este artículo se analiza el comportamiento de varias de esas obras. Concretamente dos paralelogramos alabeados [1], el restaurante Los Manantiales (México) y la Iglesia de Guadalupe (Madrid). Se explica la geometría del paraboloide hiperbólico y se describe brevemente el análisis estructural presentado por Félix Candela. Los resultados presentados posteriormente confirman la distribución de esfuerzos descrita por Candela. En todos los casos estudiados las tensiones resultan ser admisibles para el hormigón. Se ha verificado también el comportamiento de membrana de las estructuras mediante un factor cuyo valor oscila entre 0 (flexión pura) y 1 (membrana pura). El comportamiento se aleja o acerca al de membrana pura en función de las condiciones de apoyo como ya recalcó el arquitecto madrileño

Análisis del estado de tensiones en uniones carpinteras de empalme de llave por el método de los elementos finitos

El objeto del presente trabajo es la determinación de la distribución de tensiones en la unión carpintera de empalme de llave mediante el método de los elementos finitos y su comparación con los valores obtenidos mediante la teoría de Resistencia de Materiales. Se analizan las zonas donde se produce concentración de tensiones y se estudia la influencia del refino de la malla sobre los resultados con el fin de determinar el tamaño que proporciona los valores de tensión más ajustados a la teoría. En las zonas donde la concentración de tensiones es menor, distintos tamaños de la malla muestran valores de tensión similares. Los resultados muestran una simetría central de la distribución de isotensiones donde el centro de simetría se corresponde con el centro geométrico de la unión. En las zonas donde se produce concentración de tensiones, los valores de las mismas aumentan considerablemente con el refino de la malla. La comparación de los niveles de tensiones normales obtenidos por el MEF y la teoría clásica muestran diferencias reducidas, excepto en los puntos de concentración de tensiones. The purpose of this study is to determine the stress distribution in the joint carpenter of halved and tabled joint with the finite element method and its comparison with the values obtained using the theory of Strength of Materials. The stress concentration areas where analyzed and the influence of mesh refinement was studied on the results in order to determine the mesh size that provides the stress values more consistent with the theory. In areas where stress concentration is lower, different mesh sizes show similar stress values. The results show a central symmetry of the isobar lines distribution where the centre of symmetry corresponds to the geometric centre of the joint. In areas where stress concentration occurs, the same values increase considerably with the refinement of the mesh. Comparison of normal stress levels obtained by the FEM and the classical theory shows small differences, except at points of stress concentration.

Apuntes de Mecánica de Fluidos

Esta publicacion contiene unos apuntes para la parte de Mecánica de Fluidos de las asignaturas de la ETSAM, junto con cierta cantidad de material adicional que excede el ámbito del curso. Aunque está lejos de ser completa y de estar libre de errores, el autor espera sea útil.

Consolidación elastoplástica con deformaciones finitas. Implementación con elementos finitos y ejemplos numéricos

En un programa de elementos finitos se implementa un modelo matemático para la consolidación elastoplástica con deformaciones finitas en un medio representativo de un suelo totalmente saturado. El tratamiento algorítmico de la elasticidad en deformaciones finitas para la fase sólida está basado en una descomposición multiplicativa y acoplado con el algoritmo de flujo del fluido mediante la presión intersticial de Kirchho. Se utiliza una formulación mixta de elementos finitos con dos campos en que los desplazamientos nodales del sólido y las presiones nodales de agua en los poros están acoplados mediante las ecuaciones de equilibrio de masa y cantidad de movimiento. La ley de comportamiento de la fase sólida se representa mediante una teoría de tipo Cam-Clay modificada, formulada en el espacio de las tensiones principales de Kirchho, y se utiliza una aplicación de retorno que se lleva a cabo en el espacio de deformaciones definido por los invariantes de los alargamientos elásticos logarítmicos principales. El comportamiento de la fase fluida se representa mediante una ley de Darcy generalizada formulada respecto a la configuración actual. El modelo de elementos finitos es completamente linealizable con exactitud. Se presentan varios ejemplos numéricos con y sin efectos de deformaciones finitas para demostrar el impacto de la no linealidad geométrica en las correspondientes respuestas. El artículo finaliza con un estudio del comportamiento del modelo de elementos finitos en relación con la precisión y la estabilidad numérica.

Simulación de excavaciones mediante un método de acoplamiento elementos finitos – elementos de contorno

Cuando se modelan sistemas físicos no lineales de extensión infinita, como las excavaciones, se hace necesario simular adecuadamente tanto la solución en el infinito como la no linealidad. El método de elementos finitos es una herramienta efectiva para representar la no linealidad. Sin embargo, el tratamiento del campo infinito truncando el dominio es bastante cuestionable. Por otro lado, el método de elementos de contorno es adecuado para simular el comportamiento en el infinito sin truncamientos. Por combinación de ambos métodos, se puede obtener un uso adecuado de las ventajas de cada uno. En este trabajo se proponen diversas posibilidades de acoplamiento entre los dos métodos. Se desarrollan algoritmos de acoplamiento basados en una descomposición de dominios y se comparan con los esquemas más tradicionales de acoplamiento.

Notas sobre el método de los elementos finitos

Ideas básicas: reducción del medio contínuo a discreto (elementos, nodos y funciones de forma); definición de un estado "elemental" relacionado con otro "general", mediante el formalismo "matriz de rigidez" y vectores consistentes; método de síntesis de propiedades generales: método directo de la rigidez. Posibilidades de estudio: derivación de la teoría, modelización de problemas reales con F.E.M., desarrollo de programas de ordenador, estudio de métodos numéricos (sistemas ecuacionales, autovalores, convergencia, integración etc.). Contrariamente a lo que se diga el F.E.M. no elimina la necesidad de profundizar en el estudio de la elasticidad, matemáticas, etc. Se trata tan sólo de un instrumento potentísimo que, en principio, permite abordar cualquier problema.

Fallo mecánico debido a grietas en Niobato de Litio bajo irradiación, simulación mediante elementos finitos

Ion-induced nano-track in LiNbO3. Motivation. From macro to nanoscale. Finite element method for nano-structured materials. Simulations of X-cut and Z-cut in LiNbO3. Experiments versus Simulations. Conclusions

Análisis del estado de tensiones en uniones carpinteras de empalme de llave por el método de los elementos finitos

El objeto del presente trabajo es la determinación de la distribución de tensiones en la unión carpintera de empalme de llave mediante el método de los elementos finitos y su comparación con los valores obtenidos mediante la teoría de Resistencia de Materiales. Se analizan las zonas donde se produce concentración de tensiones y se estudia la influencia del refino de la malla sobre los resultados con el fin de determinar el tamaño que proporciona los valores de tensión más ajustados a la teoría. En las zonas donde la concentración de tensiones es menor, distintos tamaños de la malla muestran valores de tensión similares. Los resultados muestran una simetría central de la distribución de isotensiones donde el centro de simetría se corresponde con el centro geométrico de la unión. En las zonas donde se produce concentración de tensiones, los valores de las mismas aumentan considerablemente con el refino de la malla. La comparación de los niveles de tensiones normales obtenidos por el MEF y la teoría clásica muestran diferencias reducidas, excepto en los puntos de concentración de tensiones.