Evaluaci��n de acciones explosivas sobre estructuras de hormig��n armado mediante elementos finitos.

El fen��meno de explosi��n sobre estructuras de hormig��n tiene efectos en muchos casos catastr��ficos a pesar de su reducida frecuencia. Las edificaciones civiles no suelen estar dise��adas para resistir este tipo de solicitaci��n din��mica, por lo que conviene disponer de una metodolog��a que permita analizar los efectos de las explosiones sobre las mismas. Este trabajo estudia el comportamiento de las estructuras reticuladas de hormig��n armado frente a estas acciones, mediante m��todos num��ricos de elementos finitos lagrangianos con integraci��n expl��cita en el tiempo. Se analizan de forma realista partes de la estructura como columnas y forjados usando modelos con hormig��n y armaduras de forma segregada, pero las limitaciones computacionales los hacen inviables para estructuras completas. Se proponen modelos de elementos l��mina y viga debidamente calibrados para obtener una respuesta similar. Se obtienen conclusiones para el uso y calibraci��n de modelos y simulaciones realistas de edificios completos para estudios de seguridad.

Evaluaci��n del tama��o ��ptimo de mallado para la modelizaci��n mediante elementos finitos de losas de hormig��n frente a cargas explosivas

Los elementos estructurales empleados en construcci��n no han sido en general dise��ados para soportar acciones impulsivas, como la detonaci��n de artefactos explosivos. Desde el siglo pasado el mundo ha sufrido ataques terroristas en los que en muchos casos se han producido explosiones que causaron v��ctimas, heridos y la destrucci��n de las construcciones pr��ximas. Debido a este hecho, instituciones p��blicas y privadas comenzaron a mostrar inter��s por el comportamiento de los elementos estructurales que componen sus instalaciones. El hormig��n armado es uno de los principales materiales utilizados en las estructuras de obras debido a sus buenas caracter��sticas, cuyo an��lisis y modelizaci��n en deformaciones din��micas supone un campo de desaf��os al que se est�� prestando gran atenci��n en los ��ltimos a��os. LS-DYNA�� es un programa basado en elementos finitos capaz de simular problemas reales complejos en el que se han desarrollado distintos modelos de hormig��n. Tres de esos modelos (K&C, RHT y CSCM) son evaluados con losas de distintos tama��os de mallado de elementos finitos frente a la detonaci��n de 2 kg de TNT situados a 1 m de distancia. Dichos modelos son simulados y se obtienen los valores de las aceleraciones m��ximas en unos determinados puntos de las losas. Los valores son sometidos a la aplicaci��n del M��todo GCI (Grid Convergence Index) para una relaci��n de refinamiento de mallado no constante, cuyos resultados se comparan con aquellos registrados en los aceler��metros empleados durante la primera fase de ensayos del Proyecto SEGTRANS. Mediante el an��lisis de los resultados obtenidos se determina cual es el modelo de material y tama��o de mallado m��s adecuado que pueda emplearse en un futuro para poder modelar estructuras m��s complejas y con niveles de explosivo m��s elevados.

Modelaci��n num��rica de deslizamientos de ladera en embalses mediante el m��todo de part��culas y elementos finitos (PFEM)

Se presentan resultados obtenidos mediante la aplicaci��n del M��tododePart��culasyElementosFinitos (PFEM) en la simulaci��n dedeslizamientosdeladeraenembalses. Es un fen��meno complejo, por la interacci��n entre el material deslizado, la masa de agua del embalse, yel conjunto formado por el vaso y la presa. PFEM es un esquema num��rico original con el que se ha afrontado con ��xito la resoluci��n de problemas de interacci��n fluido-estructura. Combina un enfoque Lagrangiano con la resoluci��n de las ecuaciones deelementosfinitosmediante la generaci��n de una malla, que se actualiza en cada paso de tiempo. Se presentan resultados de casos de validaci��n en los que se han reproducido ensayos en laboratorio existentes en la bibliograf��a t��cnica. Se muestran tambi��n otros c��lculos m��s complejos, sobre la cartograf��a a escala real de un embalse, donde se aprecia el fen��meno de generaci��n de la ola, su propagaci��n por el embalse y la afecci��n a la presa. Por ��ltimo, se ha modelado el deslizamiento ocurrido en 1958 en la bah��a de Lituya (Alaska), enel que la ca��da de 90 millones de toneladas de roca produjo una ola que alcanz�� una sobreelevaci��n m��xima de 524 m en la ladera opuesta. Los resultados permiten afirmar que PFEM puede ser una herramienta ��til enel an��lisis de riesgos frente a este tipo de fen��menos, ofreciendo una buena aproximaci��n de las afecciones potenciales

An��lisis del estado de tensiones en uniones carpinteras de empalme de llave por el m��todo de los elementos finitos

El objeto del presente trabajo es la determinaci��n de la distribuci��n de tensiones en la uni��n carpintera de empalme de llave mediante el m��todo de los elementos finitos y su comparaci��n con los valores obtenidos mediante la teor��a de Resistencia de Materiales. Se analizan las zonas donde se produce concentraci��n de tensiones y se estudia la influencia del refino de la malla sobre los resultados con el fin de determinar el tama��o que proporciona los valores de tensi��n m��s ajustados a la teor��a. En las zonas donde la concentraci��n de tensiones es menor, distintos tama��os de la malla muestran valores de tensi��n similares. Los resultados muestran una simetr��a central de la distribuci��n de isotensiones donde el centro de simetr��a se corresponde con el centro geom��trico de la uni��n. En las zonas donde se produce concentraci��n de tensiones, los valores de las mismas aumentan considerablemente con el refino de la malla. La comparaci��n de los niveles de tensiones normales obtenidos por el MEF y la teor��a cl��sica muestran diferencias reducidas, excepto en los puntos de concentraci��n 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.

Amplificaci��n s��smica: una aproximaci��n por Elementos Finitos

En las p��ginas que siguen se presenta el estudio de uno de los m��s t��picos problemas de din��mica estructural, cual es la obtenci��n de la respuesta de una estructura excitada por un movimiento de la base. Este es un caso muy frecuente en ingenier��a s��smica, donde el objeto del estudio puede ser el edificio (sometido a un movimiento en la cimentaci��n) o un estrato de terreno sobre fondo r��gido. Al objeto de facilitar un soporte intuitivo a la exposici��ri, ��sta se organiza en base al segundo de los casos citados (estrate en base r��gida). La aproximaci��n escogida, elementos finitos, pone de relieve una vez m��s la potencia y generalidad del m��todo en lo que respecta a la formulaci��n del sistema de equilibrio. La discusi��n se centra en un aspecto concreto del m��todo: la elecci��n de funciones de forma.

Consolidaci��n elastopl��stica con deformaciones finitas. Implementaci��n con elementos finitos y ejemplos num��ricos

En un programa de elementos finitos se implementa un modelo matem��tico para la consolidaci��n elastopl��stica con deformaciones finitas en un medio representativo de un suelo totalmente saturado. El tratamiento algor��tmico de la elasticidad en deformaciones finitas para la fase s��lida est�� basado en una descomposici��n multiplicativa y acoplado con el algoritmo de flujo del fluido mediante la presi��n intersticial de Kirchho. Se utiliza una formulaci��n mixta de elementos finitos con dos campos en que los desplazamientos nodales del s��lido y las presiones nodales de agua en los poros est��n acoplados mediante las ecuaciones de equilibrio de masa y cantidad de movimiento. La ley de comportamiento de la fase s��lida se representa mediante una teor��a de tipo Cam-Clay modificada, formulada en el espacio de las tensiones principales de Kirchho, y se utiliza una aplicaci��n de retorno que se lleva a cabo en el espacio de deformaciones definido por los invariantes de los alargamientos el��sticos logar��tmicos principales. El comportamiento de la fase fluida se representa mediante una ley de Darcy generalizada formulada respecto a la configuraci��n actual. El modelo de elementos finitos es completamente linealizable con exactitud. Se presentan varios ejemplos num��ricos con y sin efectos de deformaciones finitas para demostrar el impacto de la no linealidad geom��trica en las correspondientes respuestas. El art��culo finaliza con un estudio del comportamiento del modelo de elementos finitos en relaci��n con la precisi��n y la estabilidad num��rica.

Simulaci��n de excavaciones mediante un m��todo de acoplamiento elementos finitos ��� elementos de contorno

Cuando se modelan sistemas f��sicos no lineales de extensi��n infinita, como las excavaciones, se hace necesario simular adecuadamente tanto la soluci��n en el infinito como la no linealidad. El m��todo 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 m��todo de elementos de contorno es adecuado para simular el comportamiento en el infinito sin truncamientos. Por combinaci��n de ambos m��todos, se puede obtener un uso adecuado de las ventajas de cada uno. En este trabajo se proponen diversas posibilidades de acoplamiento entre los dos m��todos. Se desarrollan algoritmos de acoplamiento basados en una descomposici��n de dominios y se comparan con los esquemas m��s tradicionales de acoplamiento.

Notas sobre el m��todo de los elementos finitos

Ideas b��sicas: reducci��n del medio cont��nuo a discreto (elementos, nodos y funciones de forma); definici��n de un estado "elemental" relacionado con otro "general", mediante el formalismo "matriz de rigidez" y vectores consistentes; m��todo de s��ntesis de propiedades generales: m��todo directo de la rigidez. Posibilidades de estudio: derivaci��n de la teor��a, modelizaci��n de problemas reales con F.E.M., desarrollo de programas de ordenador, estudio de m��todos num��ricos (sistemas ecuacionales, autovalores, convergencia, integraci��n etc.). Contrariamente a lo que se diga el F.E.M. no elimina la necesidad de profundizar en el estudio de la elasticidad, matem��ticas, etc. Se trata tan s��lo de un instrumento potent��simo que, en principio, permite abordar cualquier problema.

Elementos Finitos no Lineales en Mec��nica de S��lidos y Estructuras. Introducci��n b��sica y formulaci��n del M��todo de los Elementos Finitos : Curso

Con el m��todo de elementos finitos se ha desarrollado un procedimiento para el tratamiento de ecuaciones diferenciales y su resoluci��n num��rica. En este cap��tulo se va a realizar la aplicaci��n a problemas de potencial regidos por la ecuaci��n de Laplace. Se trata de una situaci��n relativamente sencilla pero que permite comentar la mayor��a de las caracter��sticas del m��todo de elementos finitos en desplazamientos y sirve como introducci��n a situaciones m��s complicadas. Adem��s, esta ecuaci��n rige problemas de inter��s como la filtraci��n, la torsi��n de cilindros, la distribuci��n de termperaturas en r��gimen estacionario, etc. En lo que sigue la exposici��n se limita a problemas planos. Tras un primer ejemplo representativo del tema se realiza la formulaci��n d��bil del problema de potencial. Acto seguido se introduce el concepto de discretizaci��n con toda su parafernalia de elementos, nudos, variables nodales, funciones de interpolaci��n etc. El cap��tulo finaliza con la menci��n de algunos temas m��s especializados que el lector estudioso deber�� proseguir en otro tipo de textos.

Fallo mec��nico debido a grietas en Niobato de Litio bajo irradiaci��n, simulaci��n 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

An��lisis del estado de tensiones en uniones carpinteras de empalme de llave por el m��todo de los elementos finitos

El objeto del presente trabajo es la determinaci��n de la distribuci��n de tensiones en la uni��n carpintera de empalme de llave mediante el m��todo de los elementos finitos y su comparaci��n con los valores obtenidos mediante la teor��a de Resistencia de Materiales. Se analizan las zonas donde se produce concentraci��n de tensiones y se estudia la influencia del refino de la malla sobre los resultados con el fin de determinar el tama��o que proporciona los valores de tensi��n m��s ajustados a la teor��a. En las zonas donde la concentraci��n de tensiones es menor, distintos tama��os de la malla muestran valores de tensi��n similares. Los resultados muestran una simetr��a central de la distribuci��n de isotensiones donde el centro de simetr��a se corresponde con el centro geom��trico de la uni��n. En las zonas donde se produce concentraci��n de tensiones, los valores de las mismas aumentan considerablemente con el refino de la malla. La comparaci��n de los niveles de tensiones normales obtenidos por el MEF y la teor��a cl��sica muestran diferencias reducidas, excepto en los puntos de concentraci��n de tensiones.

An��lisis experimental y por el m��todo de los elementos finitos del estado de tensiones en uniones carpinteras de empalme de llave

In this research, the halved and tabled traditional timber scarf joint is analyzed. This joint consists in two end joint pieces usually subjected to tension. Initially, the study is discussed from an experimental point of view. In this way, 3 critical cross-sections are established (section of the notch, section of the horizontal plane and reduced section) and mechanical tests are performed to achieve the failure on each of critical sections by changing the geometry of the joint. The study is completed by developing a finite element model which allows verify experimental results and extend the analysis to other geometries. This model has to simulate the real behavior of the material which is being studied, so mechanical tests are performed to obtain the elastic constants and the coefficients of friction of the material. In the reduced section, an abrupt decrease of the effective cross-section takes place, and this effect is also experimentally analyzed. These tests indicate that a crack is initiated before the bending-tension failure occurs in the reduced section. The test material consists of wood of Pinus sylvestris L. coming from the ���Valsa��n��s Sawmill��� (Segovia) with ���premium quality��� according to the nonstructural wood visual classification of sawmill. It is observed that initiation of a crack, in the mortise (bottom of reduced section), and shear stress concentration, at the initial part of the heel (beginning of horizontal plane), completely determine the mechanical behaviour of the joint, resulting in 3 failure modes: local compression failure in the section of the notch, shear failure in the horizontal plane, and failure of stresses concentration, mainly perpendicular to the grain tension, at the bottom of reduced section. The geometric optimization is obtained for halved and tabled traditional scarf joint, when the joint has made with similar properties of wood than tested specimens, for any height and width of the cross-section. It is considered the failure due to the initiation of a crack in reduced section, by applying a correction coefficient into the usual equation used to design the members subjected to both tension and bending. Therefore, it is possible to obtain, analytically, the design conditions to be met of the 3 critical cross-sections. According to the theoretical optimization, the tension strength of complete cross-section is reduced until 14%, when using this type of joint. The experimental optimization indicates even a greater reduction, until 6%. En el presente trabajo de investigaci��n se analiza el comportamiento mec��nico de las uniones tradicionales de empalme de llave, que consisten en dos piezas unidas por sus testas transmiti��ndose entre ellas principalmente un esfuerzo de tracci��n. Inicialmente, el estudio se aborda desde un punto de vista experimental. De este modo, se establecen las 3 secciones cr��ticas o de estudio (secci��n del encaje, secci��n rasante del cogote y secci��n reducida) y se realizan ensayos mec��nicos, variando la geometr��a de la uni��n, para alcanzar la rotura en cada una de ellas. Se completa el estudio mediante la elaboraci��n de un modelo por elementos finitos que permite verificar los resultados experimentales y ampliar el an��lisis a otras geometr��as. Este modelo debe simular el comportamiento real del material objeto de estudio, por lo que se realizan ensayos para obtener las constantes el��sticas y los coeficientes de rozamiento del mismo. Tambi��n se analiza, experimentalmente, el efecto entalladura que reduce bruscamente la secci��n completa del tirante, estableciendo que el fallo por flexotracci��n en la secci��n reducida de la pieza, no llega a producirse por el inicio previo de una grieta. El material de ensayo consiste en madera de Pinus sylvestris L. (pino silvestre) procedente del Aserradero de Valsa��n (Segovia) y de calidad ���Extra��� o ���Primera��� seg��n la clasificaci��n visual no estructural del aserradero. Se observa que el inicio de una grieta en la mortaja del rediente y la concentraci��n de tensiones tangenciales en la parte inicial del cogote, determinan completamente el comportamiento mec��nico de la uni��n, dando lugar a 3 modos distintos de rotura: fallo por compresi��n en la secci��n del encaje, fallo por cortante en la secci��n rasante y fallo por concentraci��n de tensiones, principalmente tracciones perpendiculares, en el rebaje de la secci��n reducida. Se consigue optimizar geom��tricamente cualquier empalme de llave confeccionado con madera de caracter��sticas similares a la ensayada, para cualquier valor de la altura y de la anchura de la secci��n. Se considera el agotamiento en la secci��n reducida causado por el inicio de grieta, mediante la aplicaci��n de un coeficiente corrector en la expresi��n habitual de agotamiento por flexotracci��n, en consecuencia, finalmente es posible obtener, de modo anal��tico, un valor del ��ndice de agotamiento en cada una de las 3 secciones de estudio. La optimizaci��n te��rica del empalme de llave indica que la capacidad resistente del tirante bruto se reduce al 14%, cuando se coloca este tipo de uni��n tradicional. Experimentalmente se obtiene, que, para la secci��n ensayada, la capacidad resistente del tirante bruto se reduce todav��a m��s, llegando al 6%.

Contribuci��n al desarrollo de t��cnicas CAD para el dise��o de antenas impresas y dispositivos pasivos de microondas basadas en el m��todo de elementos finitos

El objetivo principal de esta tesis es el desarrollo de herramientas num��ricas basadas en t��cnicas de onda completa para el dise��o asistido por ordenador (Computer-Aided Design,���CAD���) de dispositivos de microondas. En este contexto, se desarrolla una herramienta num��rica basada en el m��todo de los elementos finitos para el dise��o y an��lisis de antenas impresas mediante algoritmos de optimizaci��n. Esta t��cnica consiste en dividir el an��lisis de una antena en dos partes. Una parte de an��lisis 3D que se realiza s��lo una vez en cada punto de frecuencia de la banda de funcionamiento donde se sustituye una superficie que contiene la metalizaci��n del parche por puertas artificiales. En una segunda parte se inserta entre las puertas artificiales en la estructura 3D la superficie soportando una metalizaci��n y se procede un an��lisis 2D para caracterizar el comportamiento de la antena. La t��cnica propuesta en esta tesis se puede implementar en un algoritmo de optimizaci��n para definir el perfil de la antena que permite conseguir los objetivos del dise��o. Se valida experimentalmente dicha t��cnica emple��ndola en el dise��o de antenas impresas de banda ancha para diferentes aplicaciones mediante la optimizaci��n del perfil de los parches. Tambi��n, se desarrolla en esta tesis un procedimiento basado en el m��todo de descomposici��n de dominio y el m��todo de los elementos finitos para el dise��o de dispositivos pasivos de microonda. Se utiliza este procedimiento en particular para el dise��o y sinton��a de filtros de microondas. En la primera etapa de su aplicaci��n se divide la estructura que se quiere analizar en subdominios aplicando el m��todo de descomposici��n de dominio, este proceso permite analizar cada segmento por separado utilizando el m��todo de an��lisis adecuado dado que suele haber subdominios que se pueden analizar mediante m��todos anal��ticos por lo que el tiempo de an��lisis es m��s reducido. Se utilizan m��todos num��ricos para analizar los subdominios que no se pueden analizar mediante m��todos anal��ticos. En esta tesis, se utiliza el m��todo de los elementos finitos para llevar a cabo el an��lisis. Adem��s de la descomposici��n de dominio, se aplica un proceso de barrido en frecuencia para reducir los tiempos del an��lisis. Como m��todo de orden reducido se utiliza la t��cnica de bases reducidas. Se ha utilizado este procedimiento para dise��ar y sintonizar varios ejemplos de filtros con el fin de comprobar la validez de dicho procedimiento. Los resultados obtenidos demuestran la utilidad de este procedimiento y confirman su rigurosidad, precisi��n y eficiencia en el dise��o de filtros de microondas. ABSTRACT The main objective of this thesis is the development of numerical tools based on full-wave techniques for computer-aided design ���CAD��� of microwave devices. In this context, a numerical technique based on the finite element method ���FEM��� for the design and analysis of printed antennas using optimization algorithms has been developed. The proposed technique consists in dividing the analysis of the antenna in two stages. In the first stage, the regions of the antenna which do not need to be modified during the CAD process are initially characterized only once from their corresponding matrix transfer function (Generalized Admittance matrix, ���GAM���). The regions which will be modified are defined as artificial ports, precisely the regions which will contain the conducting surfaces of the printed antenna. In a second stage, the contour shape of the conducting surfaces of the printed antenna is iteratively modified in order to achieve a desired electromagnetic performance of the antenna. In this way, a new GAM of the radiating device which takes into account each printed antenna shape is computed after each iteration. The proposed technique can be implemented with a genetic algorithm to achieve the design objectives. This technique is validated experimentally and applied to the design of wideband printed antennas for different applications by optimizing the shape of the radiating device. In addition, a procedure based on the domain decomposition method and the finite element method has been developed for the design of microwave passive devices. In particular, this procedure can be applied to the design and tune of microwave filters. In the first stage of its implementation, the structure to be analyzed is divided into subdomains using the domain decomposition method; this process allows each subdomains can be analyzed separately using suitable analysis method, since there is usually subdomains that can be analyzed by analytical methods so that the time of analysis is reduced. For analyzing the subdomains that cannot be analyzed by analytical methods, we use the numerical methods. In this thesis, the FEM is used to carry out the analysis. Furthermore the decomposition of the domain, a frequency sweep process is applied to reduce analysis times. The reduced order model as the reduced basis technique is used in this procedure. This procedure is applied to the design and tune of several examples of microwave filters in order to check its validity. The obtained results allow concluding the usefulness of this procedure and confirming their thoroughness, accuracy and efficiency for the design of microwave filters.

Implementaci��n del m��todo simplet en un programa de elementos finitos basados en volumenes de control

En este trabajo se presenta la implantaci��n del m��todo SIMPLET en un programa de elementos finitos basados en vol��menes de control. Este m��todo toma en cuanta las variaciones de temperatura en la determinaci��n del campo de presiones en problemas de convecci��n libre, con el pr��posito de acelerar la convergencia y disminuir los tiempos de computaci��n. El m��todo SIMPLET, que originalmente ha sido propuesto en base al m��todo de diferencias finitas con mallas desplazadas, se implement�� en un programa de elementos finitos basados en vol��menes de control con mallas no desplazadas. Se resolvi�� un problema de convecci��n libre en una cavidad cuadrada y los resultados obtenidos en t��rminos del n��mero de iteracciones y tiempo de computaci��n se compararon se compararon con los resultados del m��todo SIMPLE. Los resultados muestran que en este tipo de problemas el m��todo SIMPLET es m��s r��pido que le SIMPLE cuando el n��mero de Rayleigh es bajo, mientras que para n��meros de Rayleigh elevados, el desempe��o de ambos m��todos es similar.

La versi��n p-adaptable del M��todo de los Elementos Finitos y del M��todo de los Elementos de Contorno: aplicaciones en elasticidad bidimensional

Este trabajo discute la bondad de las t��cnicas num��ricas p-autoadaptables, comparando el M��todo de los Elementos Finitos (MEF) y el M��todo de los Elementos de Contorno(MEC). Se presenta un breve resumen de las herramientas matem��ticas necesarias para gobernar el proceso de refinamiento en ambos m��todos. Finalmente, se presenta un ejemplo ilustrativo de relevancia pr��ctica en ingenier��a, el cual pone de manifiesto la potencia y versatilidad de las t��cnicas p-adaptables frente a situaciones reales.