Ajuste del modelo de Drucker Prager extendido para la simulación de la respuesta mecánica de un vertisol mediante el método de elementos finitos

La mecanización de las labores del suelo es la causa, por su consumo energético e impacto directo sobre el medio ambiente, que más afecta a la degradación y pérdida de productividad de los suelos. Entre los factores de disminución de la productividad se deben considerar la compactación, la erosión, el encostramiento y la pérdida de estructura. Todo esto obliga a cuidar el manejo agrícola de los suelos tratando de mejorar las condiciones del suelo y elevar sus rendimientos sin comprometer aspectos económicos, ecológicos y ambientales. En el presente trabajo se adecuan los parámetros constitutivos del modelo de Drucker Prager Extendido (DPE) que definen la fricción y la dilatancia del suelo en la fase de deformación plástica, para minimizar los errores en las predicciones durante la simulación de la respuesta mecánica de un Vertisol mediante el Método de Elementos Finitos. Para lo cual inicialmente se analizaron las bases teóricas que soportan este modelo, se determinaron las propiedades y parámetros físico-mecánicos del suelo requeridos como datos de entrada por el modelo, se determinó la exactitud de este modelo en las predicciones de la respuesta mecánica del suelo, se estimaron mediante el método de aproximación de funciones de Levenberg-Marquardt los parámetros constitutivos que definen la trayectoria de la curva esfuerzo-deformación plástica. Finalmente se comprobó la exactitud de las predicciones a partir de las adecuaciones realizadas al modelo. Los resultados permitieron determinar las propiedades y parámetros del suelo, requeridos como datos de entrada por el modelo, mostrando que su magnitud está en función su estado de humedad y densidad, además se obtuvieron los modelos empíricos de estas relaciones exhibiendo un R2>94%. Se definieron las variables que provocan las inexactitudes del modelo constitutivo (ángulo de fricción y dilatancia), mostrando que las mismas están relacionadas con la etapa de falla y deformación plástica. Finalmente se estimaron los valores óptimos de estos ángulos, disminuyendo los errores en las predicciones del modelo DPE por debajo del 4,35% haciéndelo adecuado para la simulación de la respuesta mecánica del suelo investigado. ABSTRACT The mechanization using farming techniques is one of the main factors that affects the most the soil, causing its degradation and loss of productivity, because of its energy consumption and direct impact on the environment. Compaction, erosion, crusting and loss of structure should be considered among the factors that decrease productivity. All this forces the necessity to take care of the agricultural-land management trying to improve soil conditions and increase yields without compromising economic, ecological and environmental aspects. The present study was aimed to adjust the parameters of the Drucker-Prager Extended Model (DPE), defining friction and dilation of soil in plastic deformation phase, in order to minimize the error of prediction when simulating the mechanical response of a Vertisol through the fine element method. First of all the theoretic fundamentals that withstand the model were analyzed. The properties and physical-mechanical parameters of the soil needed as input data to initialize the model, were established. And the precision of the predictions for the mechanical response of the soil was assessed. Then the constitutive parameters which define the path of the plastic stress-strain curve were estimated through Levenberg-Marquardt method of function approximations. Lastly the accuracy of the predictions from the adequacies made to the model was tested. The results permitted to determine those properties and parameters of the soil, needed in order to initialize the model. It showed that their magnitude is in function of density and humidity. Moreover, the empirical models from these relations were obtained: R2>94%. The variables producing inaccuracies in the constitutive model (angle of repose and dilation) were defined, and there was showed that they are linked with the plastic deformation and rupture point. Finally the optimal values of these angles were established, obtaining thereafter error values for the DPE model under 4, 35%, and making it suitable for the simulation of the mechanical response of the soil under study.

Multiscale analysis of the mechanical behavior of needle-punched nonwoven fabrics

Los fieltros son una familia de materiales textiles constituidos por una red desordenada de fibras conectadas por medio de enlaces térmicos, químicos o mecánicos. Presentan menor rigidez y resistencia (al igual que un menor coste de procesado) que sus homólogos tejidos, pero mayor deformabilidad y capacidad de absorción de energía. Los fieltros se emplean en diversas aplicaciones en ingeniería tales como aislamiento térmico, geotextiles, láminas ignífugas, filtración y absorción de agua, impacto balístico, etc. En particular, los fieltros punzonados fabricados con fibras de alta resistencia presentan una excelente resistencia frente a impacto balístico, ofreciendo las mismas prestaciones que los materiales tejidos con un tercio de la densidad areal. Sin embargo, se sabe muy poco acerca de los mecanismos de deformación y fallo a nivel microscópico, ni sobre como influyen en las propiedades mecánicas del material. Esta carencia de conocimiento dificulta la optimización del comportamiento mecánico de estos materiales y también limita el desarrollo de modelos constitutivos basados en mecanismos físicos, que puedan ser útiles en el diseño de componentes estructurales. En esta tesis doctoral se ha llevado a cabo un estudio minucioso con el fin de determinar los mecanismos de deformación y las propiedades mecánicas de fieltros punzonados fabricados con fibras de polietileno de ultra alto peso molecular. Los procesos de deformación y disipación de energía se han caracterizado en detalle por medio de una combinación de técnicas experimentales (ensayos mecánicos macroscópicos a velocidades de deformación cuasi-estáticas y dinámicas, impacto balístico, ensayos de extracción de una o múltiples fibras, microscopía óptica, tomografía computarizada de rayos X y difracción de rayos X de gran ángulo) que proporcionan información de los mecanismos dominantes a distintas escalas. Los ensayos mecánicos macroscópicos muestran que el fieltro presenta una resistencia y ductilidad excepcionales. El estado inicial de las fibras es curvado, y la carga se transmite por el fieltro a través de una red aleatoria e isótropa de nudos creada por el proceso de punzonamiento, resultando en la formación de una red activa de fibra. La rotación y el estirado de las fibras activas es seguido por el deslizamiento y extracción de la fibra de los puntos de anclaje mecánico. La mayor parte de la resistencia y la energía disipada es proporcionada por la extracción de las fibras activas de los nudos, y la fractura final tiene lugar como consecuencia del desenredo total de la red en una sección dada donde la deformación macroscópica se localiza. No obstante, aunque la distribución inicial de la orientación de las fibras es isótropa, las propiedades mecánicas resultantes (en términos de rigidez, resistencia y energía absorbida) son muy anisótropas. Los ensayos de extracción de múltiples fibras en diferentes orientaciones muestran que la estructura de los nudos conecta más fibras en la dirección transversal en comparación con la dirección de la máquina. La mejor interconectividad de las fibras a lo largo de la dirección transversal da lugar a una esqueleto activo de fibras más denso, mejorando las propiedades mecánicas. En términos de afinidad, los fieltros deformados a lo largo de la dirección transversal exhiben deformación afín (la deformación macroscópica transfiere directamente a las fibras por el material circundante), mientras que el fieltro deformado a lo largo de la dirección de la máquina presenta deformación no afín, y la mayor parte de la deformación macroscópica no es transmitida a las fibras. A partir de estas observaciones experimentales, se ha desarrollado un modelo constitutivo para fieltros punzonados confinados por enlaces mecánicos. El modelo considera los efectos de la deformación no afín, la conectividad anisótropa inducida durante el punzonamiento, la curvatura y re-orientación de la fibra, así como el desenredo y extracción de la fibra de los nudos. El modelo proporciona la respuesta de un mesodominio del material correspondiente al volumen asociado a un elemento finito, y se divide en dos bloques. El primer bloque representa el comportamiento de la red y establece la relación entre el gradiente de deformación macroscópico y la respuesta microscópica, obtenido a partir de la integración de la respuesta de las fibras en el mesodominio. El segundo bloque describe el comportamiento de la fibra, teniendo en cuenta las características de la deformación de cada familia de fibras en el mesodominio, incluyendo deformación no afín, estiramiento, deslizamiento y extracción. En la medida de lo posible, se ha asignado un significado físico claro a los parámetros del modelo, por lo que se pueden identificar por medio de ensayos independientes. Las simulaciones numéricas basadas en el modelo se adecúan a los resultados experimentales de ensayos cuasi-estáticos y balísticos desde el punto de vista de la respuesta mecánica macroscópica y de los micromecanismos de deformación. Además, suministran información adicional sobre la influencia de las características microstructurales (orientación de la fibra, conectividad de la fibra anisótropa, afinidad, etc) en el comportamiento mecánico de los fieltros punzonados. Nonwoven fabrics are a class of textile material made up of a disordered fiber network linked by either thermal, chemical or mechanical bonds. They present lower stiffness and strength (as well as processing cost) than the woven counterparts but much higher deformability and energy absorption capability and are used in many different engineering applications (including thermal insulation, geotextiles, fireproof layers, filtration and water absorption, ballistic impact, etc). In particular, needle-punched nonwoven fabrics manufactured with high strength fibers present an excellent performance for ballistic protection, providing the same ballistic protection with one third of the areal weight as compared to dry woven fabrics. Nevertheless, very little is known about their deformation and fracture micromechanisms at the microscopic level and how they contribute to the macroscopic mechanical properties. This lack of knowledge hinders the optimization of their mechanical performance and also limits the development of physically-based models of the mechanical behavior that can be used in the design of structural components with these materials. In this thesis, a thorough study was carried out to ascertain the micromechanisms of deformation and the mechanical properties of a needle-punched nonwoven fabric made up by ultra high molecular weight polyethylene fibers. The deformation and energy dissipation processes were characterized in detail by a combination of experimental techniques (macroscopic mechanical tests at quasi-static and high strain rates, ballistic impact, single fiber and multi fiber pull-out tests, optical microscopy, X-ray computed tomography and wide angle X-ray diffraction) that provided information of the dominant mechanisms at different length scales. The macroscopic mechanical tests showed that the nonwoven fabric presented an outstanding strength and energy absorption capacity. It was found that fibers were initially curved and the load was transferred within the fabric through the random and isotropic network of knots created by needlepunching, leading to the formation of an active fiber network. Uncurling and stretching of the active fibers was followed by fiber sliding and pull-out from the entanglement points. Most of the strength and energy dissipation was provided by the extraction of the active fibers from the knots and final fracture occurred by the total disentanglement of the fiber network in a given section at which the macroscopic deformation was localized. However, although the initial fiber orientation distribution was isotropic, the mechanical properties (in terms of stiffness, strength and energy absorption) were highly anisotropic. Pull-out tests of multiple fibers at different orientations showed that structure of the knots connected more fibers in the transverse direction as compared with the machine direction. The better fiber interconnection along the transverse direction led to a denser active fiber skeleton, enhancing the mechanical response. In terms of affinity, fabrics deformed along the transverse direction essentially displayed affine deformation {i.e. the macroscopic strain was directly transferred to the fibers by the surrounding fabric, while fabrics deformed along the machine direction underwent non-affine deformation, and most of the macroscopic strain was not transferred to the fibers. Based on these experimental observations, a constitutive model for the mechanical behavior of the mechanically-entangled nonwoven fiber network was developed. The model accounted for the effects of non-affine deformation, anisotropic connectivity induced by the entanglement points, fiber uncurling and re-orientation as well as fiber disentanglement and pull-out from the knots. The model provided the constitutive response for a mesodomain of the fabric corresponding to the volume associated to a finite element and is divided in two blocks. The first one was the network model which established the relationship between the macroscopic deformation gradient and the microscopic response obtained by integrating the response of the fibers in the mesodomain. The second one was the fiber model, which took into account the deformation features of each set of fibers in the mesodomain, including non-affinity, uncurling, pull-out and disentanglement. As far as possible, a clear physical meaning is given to the model parameters, so they can be identified by means of independent tests. The numerical simulations based on the model were in very good agreement with the experimental results of in-plane and ballistic mechanical response of the fabrics in terms of the macroscopic mechanical response and of the micromechanisms of deformation. In addition, it provided additional information about the influence of the microstructural features (fiber orientation, anisotropic fiber connectivity, affinity) on the mechanical performance of mechanically-entangled nonwoven fabrics.

Límites de ductilidad y de servicio al cálculo en carga última de estructuras de hormigón armado y de fábrica

En este trabajo se aborda una cuestión central en el diseño en carga última de estructuras de hormigón armado y de fábrica: la posibilidad efectiva de que las deformaciones plásticas necesarias para verificar un estado de rotura puedan ser alcanzadas por las regiones de la estructura que deban desarrollar su capacidad última para verificar tal estado. Así, se parte de las decisiones de diseño que mediante mera estática aseguran un equilibrio de la estructura para las cargas últimas que deba resistir, pero determinando directamente el valor de las deformaciones necesarias para llegar a tal estado. Por tanto, no se acude a los teoremas de rotura sin más, sino que se formula el problema desde un punto de vista elastoplástico. Es decir, no se obvia el recorrido que la estructura deba realizar en un proceso de carga incremental monótono, de modo que las regiones no plastificadas contribuyen a coaccionar las libres deformaciones plásticas que, en la teoría de rotura, se suponen. En términos de trabajo y energía, se introduce en el balance del trabajo de las fuerzas externas y en el de la energía de deformación, aquella parte del sistema que no ha plastificado. Establecido así el balance energético como potencial del sistema es cuando la condición de estacionariedad del mismo hace determinados los campos de desplazamientos y, por tanto, el de las deformaciones plásticas también. En definitiva, se trata de un modo de verificar si la ductilidad de los diseños previstos es suficiente, y en qué medida, para verificar el estado de rotura previsto, para unas determinadas cargas impuestas. Dentro del desarrollo teórico del problema, se encuentran ciertas precisiones importantes. Entre ellas, la verificación de que el estado de rotura a que se llega de manera determinada mediante el balance energético elasto-plástico satisface las condiciones de la solución de rotura que los teoremas de carga última predicen, asegurando, por tanto, que la solución determinada -unicidad del problema elásticocoincide con el teorema de unicidad de la carga de rotura, acotando además cuál es el sistema de equilibrio y cuál es la deformada de colapso, aspectos que los teoremas de rotura no pueden asegurar, sino sólo el valor de la carga última a verificar. Otra precisión se basa en la particularidad de los casos en que el sistema presenta una superficie de rotura plana, haciendo infinitas las posibilidades de equilibrio para una misma deformada de colapso determinada, lo que está en la base de, aparentemente, poder plastificar a antojo en vigas y arcos. Desde el planteamiento anterior, se encuentra entonces que existe una condición inherente a cualquier sistema, definidas unas leyes constitutivas internas, que permite al mismo llegar al inicio del estado de rotura sin demandar deformación plástica alguna, produciéndose la plastificación simultánea de todas las regiones que hayan llegado a su solicitación de rotura. En cierto modo, se daría un colapso de apariencia frágil. En tal caso, el sistema conserva plenamente hasta el final su capacidad dúctil y tal estado actúa como representante canónico de cualquier otra solución de equilibrio que con idéntico criterio de diseño interno se prevea para tal estructura. En la medida que el diseño se acerque o aleje de la solución canónica, la demanda de ductilidad del sistema para verificar la carga última será menor o mayor. Las soluciones que se aparten en exceso de la solución canónica, no verificarán el estado de rotura previsto por falta de ductilidad: la demanda de deformación plástica de alguna región plastificada estará más allá de la capacidad de la misma, revelándose una carga de rotura por falta de ductilidad menor que la que se preveía por mero equilibrio. Para la determinación de las deformaciones plásticas de las rótulas, se ha tomado un modelo formulado mediante el Método de los Elementos de Contorno, que proporciona un campo continuo de desplazamientos -y, por ende, de deformaciones y de tensiones- incluso en presencia de fisuras en el contorno. Importante cuestión es que se formula la diferencia, nada desdeñable, de la capacidad de rotación plástica de las secciones de hormigón armado en presencia de cortante y en su ausencia. Para las rótulas de fábrica, la diferencia se establece para las condiciones de la excentricidad -asociadas al valor relativo de la compresión-, donde las diferencias entres las regiones plastificadas con esfuerzo normal relativo alto o bajo son reseñables. Por otro lado, si bien de manera un tanto secundaria, las condiciones de servicio también imponen un límite al diseño previo en carga última deseado. La plastificación lleva asociadas deformaciones considerables, sean locales como globales. Tal cosa impone que, en estado de servicio, si la plastificación de alguna región lleva asociadas fisuraciones excesivas para el ambiente del entorno, la solución sea inviable por ello. Asimismo, las deformaciones de las estructuras suponen un límite severo a las posibilidades de su diseño. Especialmente en edificación, las deformaciones activas son un factor crítico a la hora de decidirse por una u otra solución. Por tanto, al límite que se impone por razón de ductilidad, se debe añadir el que se imponga por razón de las condiciones de servicio. Del modo anterior, considerando las condiciones de ductilidad y de servicio en cada caso, se puede tasar cada decisión de diseño con la previsión de cuáles serán las consecuencias en su estado de carga última y de servicio. Es decir, conocidos los límites, podemos acotar cuáles son los diseños a priori que podrán satisfacer seguro las condiciones de ductilidad y de servicio previstas, y en qué medida. Y, en caso de no poderse satisfacer, qué correcciones debieran realizarse sobre el diseño previo para poderlas cumplir. Por último, de las consecuencias que se extraen de lo estudiado, se proponen ciertas líneas de estudio y de experimentación para poder llegar a completar o expandir de manera práctica los resultados obtenidos. ABSTRACT This work deals with a main issue for the ultimate load design in reinforced concrete and masonry structures: the actual possibility that needed yield strains to reach a ultimate state could be reached by yielded regions on the structure that should develop their ultimate capacity to fulfill such a state. Thus, some statically determined design decisions are posed as a start for prescribed ultimate loads to be counteracted, but finding out the determined value of the strains needed to reach the ultimate load state. Therefore, ultimate load theorems are not taken as they are, but a full elasto-plastic formulation point of view is used. As a result, the path the structure must develop in a monotonus increasing loading procedure is not neglected, leading to the fact that non yielded regions will restrict the supposed totally free yield strains under a pure ultimate load theory. In work and energy terms, in the overall account of external forces work and internal strain energy, those domains in the body not reaching their ultimate state are considered. Once thus established the energy balance of the system as its potential, by imposing on it the stationary condition, both displacements and yield strains appear as determined values. Consequently, what proposed is a means for verifying whether the ductility of prescribed designs is enough and the extent to which they are so, for known imposed loads. On the way for the theoretical development of the proposal, some important aspects have been found. Among these, the verification that the conditions for the ultimate state reached under the elastoplastic energy balance fulfills the conditions prescribed for the ultimate load state predicted through the ultimate load theorems, assuring, therefore, that the determinate solution -unicity of the elastic problemcoincides with the unicity ultimate load theorem, determining as well which equilibrium system and which collapse shape are linked to it, being these two last aspects unaffordable by the ultimate load theorems, that make sure only which is the value of the ultimate load leading to collapse. Another aspect is based on the particular case in which the yield surface of the system is flat -i.e. expressed under a linear expression-, turning out infinite the equilibrium possibilities for one determined collapse shape, which is the basis of, apparently, deciding at own free will the yield distribution in beams and arches. From the foresaid approach, is then found that there is an inherent condition in any system, once defined internal constitutive laws, which allows it arrive at the beginning of the ultimate state or collapse without any yield strain demand, reaching the collapse simultaneously for all regions that have come to their ultimate strength. In a certain way, it would appear to be a fragile collapse. In such a case case, the system fully keeps until the end its ductility, and such a state acts as a canonical representative of any other statically determined solution having the same internal design criteria that could be posed for the that same structure. The extent to which a design is closer to or farther from the canonical solution, the ductility demand of the system to verify the ultimate load will be higher or lower. The solutions being far in excess from the canonical solution, will not verify the ultimate state due to lack of ductility: the demand for yield strains of any yielded region will be beyond its capacity, and a shortcoming ultimate load by lack of ductility will appear, lower than the expected by mere equilibrium. For determining the yield strains of plastic hinges, a Boundary Element Method based model has been used, leading to a continuous displacement field -therefore, for strains and stresses as well- even if cracks on the boundary are present. An important aspect is that a remarkable difference is found in the rotation capacity between plastic hinges in reinforced concrete with or without shear. For masonry hinges, such difference appears when dealing with the eccentricity of axial forces -related to their relative value of compression- on the section, where differences between yield regions under high or low relative compressions are remarkable. On the other hand, although in a certain secondary manner, serviceability conditions impose limits to the previous ultimate load stated wanted too. Yield means always big strains and deformations, locally and globally. Such a thing imposes, for serviceability states, that if a yielded region is associated with too large cracking for the environmental conditions, the predicted design will be unsuitable due to this. Furthermore, displacements must be restricted under certain severe limits that restrain the possibilities for a free design. Especially in building structures, active displacements are a critical factor when chosing one or another solution. Then, to the limits due to ductility reasons, other limits dealing with serviceability conditions shoud be added. In the foresaid way, both considering ductility and serviceability conditions in every case, the results for ultimate load and serviceability to which every design decision will lead can be bounded. This means that, once the limits are known, it is possible to bound which a priori designs will fulfill for sure the prescribed ductility and serviceability conditions, and the extent to wich they will be fulfilled, And, in case they were not, which corrections must be performed in the previous design so that it will. Finally, from the consequences derived through what studied, several study and experimental fields are proposed, in order to achieve a completeness and practical expansion of the obtained results.

Physically-sound simulation of low-velocity impact on fiber reinforced laminates

A high-fidelity virtual tool for the numerical simulation of low-velocity impact damage in unidirectional composite laminates is proposed. A continuum material model for the simulation of intraply damage phenomena is implemented in a numerical scheme as a user subroutine of the commercially available Abaqus finite element package. Delaminations are simulated using of cohesive surfaces. The use of structured meshes, aligned with fiber directions allows the physically-sound simulation of matrix cracks parallel to fiber directions, and their interaction with the development of delaminations. The implementation of element erosion criteria and the application of intraply and interlaminar friction allow for the simulation of fiber splits and their entanglement, which in turn results in permanent indentation in the impacted laminate. It is shown that this simulation strategy gives sound results for impact energies bellow and above the Barely Visible Impact Damage threshold, up to laminate perforation conditions

Multiple solutions and numerical analysis to the dynamic and stationary models coupling a delayed energy balance model involving latent heat and discontinuous albedo with a deep ocean

We study a climatologically important interaction of two of the main components of the geophysical system by adding an energy balance model for the averaged atmospheric temperature as dynamic boundary condition to a diagnostic ocean model having an additional spatial dimension. In this work, we give deeper insight than previous papers in the literature, mainly with respect to the 1990 pioneering model by Watts and Morantine. We are taking into consideration the latent heat for the two phase ocean as well as a possible delayed term. Non-uniqueness for the initial boundary value problem, uniqueness under a non-degeneracy condition and the existence of multiple stationary solutions are proved here. These multiplicity results suggest that an S-shaped bifurcation diagram should be expected to occur in this class of models generalizing previous energy balance models. The numerical method applied to the model is based on a finite volume scheme with nonlinear weighted essentially non-oscillatory reconstruction and Runge–Kutta total variation diminishing for time integration.