Adaptation Strategies for Discontinuous Galerkin Spectral Element Methods by means of Truncation Error Estimations

In this work a p-adaptation (modification of the polynomial order) strategy based on the minimization of the truncation error is developed for high order discontinuous Galerkin methods. The truncation error is approximated by means of a truncation error estimation procedure and enables the identification of mesh regions that require adaptation. Three truncation error estimation approaches are developed and termed a posteriori, quasi-a priori and quasi-a priori corrected. Fine solutions, which are obtained by enriching the polynomial order, are required to solve the numerical problem with adequate accuracy. For the three truncation error estimation methods the former needs time converged solutions, while the last two rely on non-converged solutions, which lead to faster computations. Based on these truncation error estimation methods, algorithms for mesh adaptation were designed and tested. Firstly, an isotropic adaptation approach is presented, which leads to equally distributed polynomial orders in different coordinate directions. This first implementation is improved by incorporating a method to extrapolate the truncation error. This results in a significant reduction of computational cost. Secondly, the employed high order method permits the spatial decoupling of the estimated errors and enables anisotropic p-adaptation. The incorporation of anisotropic features leads to meshes with different polynomial orders in the different coordinate directions such that flow-features related to the geometry are resolved in a better manner. These adaptations result in a significant reduction of degrees of freedom and computational cost, while the amount of improvement depends on the test-case. Finally, this anisotropic approach is extended by using error extrapolation which leads to an even higher reduction in computational cost. These strategies are verified and compared in terms of accuracy and computational cost for the Euler and the compressible Navier-Stokes equations. The main result is that the two quasi-a priori methods achieve a significant reduction in computational cost when compared to a uniform polynomial enrichment. Namely, for a viscous boundary layer flow, we obtain a speedup of a factor of 6.6 and 7.6 for the quasi-a priori and quasi-a priori corrected approaches, respectively. RESUMEN En este trabajo se ha desarrollado una estrategia de adaptación-p (modificación del orden polinómico) para métodos Galerkin discontinuo de alto orden basada en la minimización del error de truncación. El error de truncación se estima utilizando el método tau-estimation. El estimador permite la identificación de zonas de la malla que requieren adaptación. Se distinguen tres técnicas de estimación: a posteriori, quasi a priori y quasi a priori con correción. Todas las estrategias requieren una solución obtenida en una malla fina, la cual es obtenida aumentando de manera uniforme el orden polinómico. Sin embargo, mientras que el primero requiere que esta solución esté convergida temporalmente, el resto utiliza soluciones no convergidas, lo que se traduce en un menor coste computacional. En este trabajo se han diseñado y probado algoritmos de adaptación de malla basados en métodos tau-estimation. En primer lugar, se presenta un algoritmo de adaptacin isótropo, que conduce a discretizaciones con el mismo orden polinómico en todas las direcciones espaciales. Esta primera implementación se mejora incluyendo un método para extrapolar el error de truncación. Esto resulta en una reducción significativa del coste computacional. En segundo lugar, el método de alto orden permite el desacoplamiento espacial de los errores estimados, permitiendo la adaptación anisotropica. Las mallas obtenidas mediante esta técnica tienen distintos órdenes polinómicos en cada una de las direcciones espaciales. La malla final tiene una distribución óptima de órdenes polinómicos, los cuales guardan relación con las características del flujo que, a su vez, depenen de la geometría. Estas técnicas de adaptación reducen de manera significativa los grados de libertad y el coste computacional. Por último, esta aproximación anisotropica se extiende usando extrapolación del error de truncación, lo que conlleva un coste computational aún menor. Las estrategias se verifican y se comparan en téminors de precisión y coste computacional utilizando las ecuaciones de Euler y Navier Stokes. Los dos métodos quasi a priori consiguen una reducción significativa del coste computacional en comparación con aumento uniforme del orden polinómico. En concreto, para una capa límite viscosa, obtenemos una mejora en tiempo de computación de 6.6 y 7.6 respectivamente, para las aproximaciones quasi-a priori y quasi-a priori con corrección.

Nuevo concepto de elementos estructurales horizontales de vidrio : placa autoportante y pretensada en forma de pi

En los últimos años, podemos darnos cuenta de la importancia que tienen las nuevas aplicaciones de vidrio especialmente en edificios turísticos donde el vértigo juega un papel importante en la visita. Sin embargo los sistemas constructivos no tienen un especial interés porque el vidrio laminado está siempre soportado por otro elemento de acero o incluso vidrio en forma de retícula. En la presente tesis voy a desarrollar una nueva solución de elemento autoportante de vidrio de gran tamaño haciendo seguro el uso del elemento para andar en el aire. El sueño de muchos arquitectos ha sido diseñar un edificio completamente transparente y a mí me gustaría contribuir a este sueño empezando a estudiar un forjado de vidrio como elemento estructural horizontal y para ello debemos cumplir requerimientos de seguridad. Uno de los objetivos es lograr un elemento lo más transparente y esbelto posible para el uso de pasarelas en vestíbulos de edificios. Las referencias construidas son bien conocidas, pero por otro lado Universidades europeas estudian continua estudiando el comportamiento del vidrio con diferentes láminas, adhesivos, apilados, insertos, sistemas de laminado, pretensado, pandeo lateral, seguridad post-rotura y muchos más aspectos necesarios. La metodología llevada a cabo en esta tesis ha sido primeramente diseñar un elemento industrial prefabricado horizontal de vidrio teniendo en cuenta todos los conceptos aprendidos en el estado del arte y la investigación para poder predimensionar el elemento. El siguiente paso será verificar el modelo por medio de cálculo analítico, simulación de elementos finitos y ensayos físicos. Para realizar los ensayos hay un paso intermedio teniendo que cambiar la hipótesis de carga uniforme a carga puntal para realizar el ensayo de flexión a 4 puntos normalizado y además cambiar a escala 1:2 para adaptarse al espacio de ensayo y ser viable económicamente. Finalmente compararé los resultados de tensión y deformación obtenidos por los tres métodos para extraer conclusiones. Sin embargo el problema de la seguridad no ha concluido, tendré que demostrar que el sistema es seguro después de que se produzca la rotura y para ello sólo dispongo de los ensayos como medio de demostración. El diseño es el resultado de la evolución de una viga tipo “I”; cuando es pretensada para obtener más resistencia, aparece el problema de pandeo lateral y éste es solucionado con una viga con sección en “T” cuya unión es resuelta con un cajeado longitudinal en la parte inferior del elemento horizontal. Las alas de éste crecen para recoger las cargas superficiales creando a su vez un punto débil en la unión que a su vez se soluciona duplicando la sección “TT” y haciendo trabajar dicho tablero de forma tan óptima como una viga continua. Dicha sección en vidrio como un único elemento pretensado es algo inédito. Además he diseñado unas escuadras metálicas en los extremos de los nervios como apoyo y placa de pretensión, así como una hendidura curva en el centro de los nervios para alojar los tirantes de acero de modo que al pretensar el tirante la placa corrija al menos la deformación por peso propio. Realizados los cambios geométricos de escala y las simplificaciones en el laminado y el adhesivo se programan la extracción de resultados desde 3 estadios diferentes: Sin pretensión y con pretensión de 750 Kg y de 1000Kg en cada nervio. Por cada estadio y por cada uno de los métodos, cálculo, simulación y ensayos, se extraen los datos de deformación y tensión en el punto medio de un nervio con el objetivo de hacer una comparación de resultados para obtener unas conclusiones, siempre en el campo de la elasticidad. Posteriormente incrementaré la carga hasta el momento de la rotura de la placa y después hasta el colapso teniendo en cuenta el tiempo y demostrando una rotura segura. El vidrio no tendrá un comportamiento plástico pero habrá sido controlado su comportamiento frágil manteniendo una carga y una deformación aceptable. ABSTRACT Over the past few years we have realized the importance of the new technologies regarding the application of glass in new buildings, especially those touristic places were the views and the heights are the reason of the visit. However, the construction systems of these glass platforms are not usually as interesting, because the laminated glass is always held by another steel substructure or even a grid-formed glass element. Throughout this thesis I am going to develop a new solution of a self-bearing element with big dimensions made out of glass, ensuring a safe solution to use as an element to walk on the air. The dream of many architects has been to create a building completely transparent, and I would like to contribute to this idea by making a glass slab as a horizontal structural element, for which we have to meet the security requirements. One of the goals is to achieve an element as transparent and slim as possible for the use in walkways of building lobbies. The glass buildings references are well known, but on the other hand the European Universities study the behaviour of the glass with different interlayers, adhesives, laminating systems, stacking, prestressed, buckling, safety, breakage and post-breakage capacity; and many other necessary aspects. The methodology followed in this thesis has been to first create a horizontal industrial prefabricated horizontal element of glass, taking into account all the concepts learned in the state of art and the investigation to be able to predimension this element. The next step will be to verify this model with an analytic calculus, a finite element modelling simulation and physical tests. To fulfil these tests there is an intermediate step, having to change the load hypothesis from a punctual one to make the test with a four points normalized deflexion, and also the scale of the sample was changed to 1:2 to adapt to the space of the test and make it economically possible. Finally, the results of tension and deformation obtained from the three methods have been compared to make the conclusions. However, the problem with safety has not concluded yet, for I will have to demonstrate that this system is safe even after its breakage, for which I can only use physical tests as a way of demonstration. The design is the result of the evolution of a typical “I” beam, which when it is prestressed to achieve more resistance, the effect of buckling overcomes, and this is solved with a “T” shaped beam, where the union is solved with a longitudinal groove on the inferior part of the horizontal element. The boards of this beam grow to cover the superficial loads, creating at the same time a weak point, which is solved by duplicating the section “TT” and therefore making this board work as optimal as a continuous beam. This glass section as a single prestressed element is unique. After the final design of the “π” glass plate was obtained and the composition of the laminated glass and interlayers has been predimensioned, the last connection elements must be contemplated. I have also designed a square steel shoe at the end of the beams, which will be the base and the prestressed board, as well as a curved slot in the centre of the nerves to accommodate the steel braces so that when this brace prestresses the board, at least the deformation due to its self-weight will be amended. Once I made the geometric changes of the scale and the simplifications on the laminating and the adhesive, the extraction on results overcomes from three different stages: without any pretension, with a pretension of 750 kg and with a pretension of 1000 kg on each rib. For each stage and for each one of the methods, calculus, simulation and tests, the deformation datum were extracted to obtain the conclusions, always in the field of the elasticity. Afterwards, I will increase the load until the moment of breakage of this board, and then until the collapse of the element, taking into account the time spent and demonstrating a safe breakage. The glass will not have a plastic behaviour, but its brittle behaviour has been controlled, keeping an acceptable load and deflection.

Aplicación integral en construcción de materiales eco-eficientes con incorporación de cenizas de biomasa

El empleo de biomasa como combustible para la generación de bio-energía va en aumento en la actualidad, debido a su impacto medioambiental nulo en cuanto a las emisiones de CO2. Por lo tanto la generación de cenizas de biomasa, residuo de la producción de esta energía, constituye un problema medioambiental con un claro impacto social y económico. Este tipo de ceniza tiene contenidos en óxidos que la hacen atractiva para su empleo como sustituto parcial del cemento Portland, lo cual proporciona una salida eco-eficiente a este residuo, reduciendo al mismo tiempo la emisión de gases de efecto invernadero asociada a la fabricación del cemento. Esta investigación se centra en el desarrollo de nuevos e innovadores materiales base-cemento eco-eficientes que incorporan ceniza de biomasa para su aplicación integral en construcción. Para ello, se emplea una ceniza de biomasa (CB) procedente de un combustor de lecho fluidizado, cuya biomasa de combustión es principalmente restos de corteza de eucalipto, suministrada por el grupo ENCE-Navia (Asturias). El trabajo desarrollado en la presente tesis doctoral, tiene como primera fase la caracterización de esta ceniza y el análisis de viabilidad de su valorización en materiales base-cemento. Dentro de este análisis, se propone la activación de la ceniza CB mediante tratamiento hidrotermal (TH) en diferentes condiciones de medio activante, temperatura y tiempo de proceso, con el objetivo de favorecer la formación de fases hidratadas que potencien la valorización de la ceniza en el campo de los materiales de construcción. Como fase hidratada de interés se obtiene la fase tobermorita (Ca2.25(Si3O7.5(OH)1.5)(H2O)), precursora del gel C-S-H, responsable del desarrollo de resistencias mecánicas en los materiales base-cemento. El proceso de TH se optimiza para la síntesis más eficiente de esta fase. El estudio posterior de las propiedades mecánicas y micro-estructurales de pastas de cemento eco-eficientes que incorporan la ceniza CB y la ceniza tratada hidrotermalmente, CB-TH, confirma una mayor viabilidad de incorporación de la ceniza CB como sustituto parcial del cemento Portland. Como siguiente paso en el desarrollo de estos innovadores materiales base-cemento eco-eficientes se amplía el estudio multi-escalar de los materiales que incorporan CB mediante diferentes ensayos físico-mecánicos y de durabilidad. Los resultados indican que la presencia de la ceniza de biomasa no tiene efectos negativos sobre las propiedades físicas de los morteros eco-eficientes estudiados. Sin embargo, la adición de CB proporciona una mejor durabilidad del material al producir modificaciones de la microestructura que dificultan el transporte de agentes agresivos. Por otro lado, los morteros con un 10 y 20% de sustitución parcial de cemento por la ceniza de biomasa CB (CB-10 y CB-20) presentan una resistencia a compresión de 53.3 y 50.5 MPa a 28 días de curado, respectivamente. Estos morteros son comparables con un cemento Portland tradicional tipo CEM I de clase de resistencia 42.5 R. Por último, y con el fin de proporcionar la apertura de estos nuevos cementos eco-eficientes al mercado en el campo de los materiales de construcción, se estudian propiedades concretas relacionadas con diferentes tipos de aplicaciones. Concretamente se estudian en detalle las propiedades relativas a la aplicación en baldosas de mortero y los resultados indican unas prestaciones del material eco-eficiente con incorporación de CB similares o mejoradas con respecto al cemento Portland. Se analiza también la viabilidad de aplicación estructural de los cementos eco-eficientes desarrollados mediante el estudio de la adherencia al acero, que resulta similar a la del material de referencia. En cuanto a los resultados de extracción y caracterización de la fase acuosa de los poros, en todas las matrices eco-eficientes se obtiene un pH que garantiza la pasivación de la armadura. Sin embargo, el alto contenido en cloruros de dicha fase acuosa sugiere la conveniencia de realizar un análisis más detallado para la aplicación de los nuevos materiales eco-eficientes en hormigón armado. Se comprueba que todas las matrices que incorporan CB en porcentajes entre un 10 y un 90%, se pueden considerar adecuadas como nuevos materiales de construcción más eco-eficientes en aplicaciones con distintos niveles de exigencias mecánicas y sin problemas ambientales asociados con procesos de lixiviación. Con el presente trabajo de investigación se completan los objetivos iniciales de la tesis, con la obtención de nuevos e innovadores materiales base-cemento eco-eficientes que incorporan cenizas de biomasa (CB) con aplicación integral en el campo de la construcción. ABSTRACT The use of biomass as a fuel for the generation of bio-energy is increasing nowadays, due to its zero environmental impact in terms of CO2 emissions. Therefore the generation of biomass ash, a by-product of this energy, is an environmental problem with a clear social and economic impact. This type of ash contains oxides that make it attractive to be used as a partial replacement of Portland cement, providing an eco-efficient solution to this residue, while reducing the emission of greenhouse gases associated with the production of cement. The present research is focused on the development of new and innovative eco-efficient cement-based materials that incorporate biomass ash for their comprehensive application in construction. For this purpose a biomass ash (CB) is used from a fluidized bed forest combustor mainly fed with the bark of eucalyptus trees, provided by the ENCE-Navia (Asturias) group. The work includes in the first stage the characterization of the raw materials and the analysis of viability of their valorization in cement-based materials. Within this analysis, the activation of the ash is proposed by hydrothermal treatment (HT) in different conditions of activation medium, temperature and process duration, aiming an enhanced formation of hydrated phases to improve the ash valorization in the construction materials field. As an interesting hydrated phase, the tobermorite (Ca2.25(Si3O7.5(OH)1.5)(H2O)) is obtained from the process. This phase is considered as a precursor of the gel C-S-H, responsible for the development of mechanical strength in cement-based materials. HT process is optimized for the most efficient synthesis of tobermorite. The analysis of mechanical and microstructural properties of eco-efficient cement pastes incorporating CB ash and hydrothermally treated ash, CB-TH, confirms an improved viability of incorporation of CB ash as a partial replacement for Portland cement in the case. As a next step in the development of these innovative eco-efficient cement-based materials, a multiscale study of the materials that incorporate CB by different physical-mechanical and durability tests is carried out. The results indicate that the presence of biomass ash does not give rise to negative effects on the physical properties of the eco-efficient mortars analyzed. Nevertheless, the addition of CB produces a better durability performance due to microstructural modifications that hinder the transport of aggressive agents through the material. Moreover, mortars with a 10% and 20% of partial substitution of cement by the CB biomass ash (CB-10 and CB-20) show a compressive resistance of 53.3 and 50.5 MPa at 28 days of curing, respectively. These mortars are comparable to an ordinary Portland cement type CEM I with a resistance class of 42.5R. Finally, and in order to provide the opening of these new eco-efficient cement to the market in the field of construction materials, certain properties specifically related to different types of applications are studied. Among these, the properties concerning the application in mortar tiles are analyzed and the results indicate a similar, or even better performance of the eco-efficient mortar that incorporates CB, with respect to Portland cement. The viability of structural application of the developed eco-efficient cement is also performed considering the study of the adhesion to steel, with results similar to those of the reference material. Regarding the results of extraction and analysis of the aqueous phase of the pores, a pH value guaranteeing reinforcement passivation is obtained for all the eco-efficient matrices. However, high chloride content is obtained suggesting the suitability of a more detailed study to evaluate the application of these new eco-efficient materials in reinforced concrete. It is established that all the matrices incorporating CB in percentages between 10 and 90% may be considered adequate as new more eco-efficient construction materials in applications with different levels of mechanical demand and without environmental problems associated to leaching processes. In this research the initial objectives of the thesis are fulfilled by obtaining new and innovative eco-efficient cement-based materials that incorporate biomass ashes (CB) with comprehensive application in the construction field.