A methodology to calibrate structural finite element models for reinforced concrete structures subject to blast loads

Civil buildings are not specifically designed to support blast loads, but it is important to take into account these potential scenarios because of their catastrophic effects, on persons and structures. A practical way to consider explosions on reinforced concrete structures is necessary. With this objective we propose a methodology to evaluate blast loads on large concrete buildings, using LS-DYNA code for calculation, with Lagrangian finite elements and explicit time integration. The methodology has three steps. First, individual structural elements of the building like columns and slabs are studied, using continuum 3D elements models subjected to blast loads. In these models reinforced concrete is represented with high precision, using advanced material models such as CSCM_CONCRETE model, and segregated rebars constrained within the continuum mesh. Regrettably this approach cannot be used for large structures because of its excessive computational cost. Second, models based on structural elements are developed, using shells and beam elements. In these models concrete is represented using CONCRETE_EC2 model and segregated rebars with offset formulation, being calibrated with continuum elements models from step one to obtain the same structural response: displacement, velocity, acceleration, damage and erosion. Third, models basedon structural elements are used to develop large models of complete buildings. They are used to study the global response of buildings subjected to blast loads and progressive collapse. This article carries out different techniques needed to calibrate properly the models based on structural elements, using shells and beam elements, in order to provide results of sufficient accuracy that can be used with moderate computational cost.

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.

Desarrollo de un modelo de formación del valor inmobiliario en áreas de crecimiento suburbano. Aplicación a la comarca de la Vega Baja del Segura en el litoral alicantino

Una de las principales líneas de investigación de la economía urbana es el comportamiento del mercado inmobiliario y sus relaciones con la estructura territorial. Dentro de este contexto, la reflexión sobre el significado del valor urbano, y abordar su variabilidad, constituye un tema de especial importancia, dada la relevancia que ha supuesto y supone la actividad inmobiliaria en España. El presente estudio ha planteado como principal objetivo la identificación de aquellos factores, ligados a la localización que explican la formación del valor inmobiliario y justifican su variabilidad. Definir este proceso precisa de una evaluación a escala territorial estableciendo aquellos factores de carácter socioeconómico, medioambiental y urbanístico que estructuran el desarrollo urbano, condicionan la demanda de inmuebles y, por tanto, los procesos de formación de su valor. El análisis se centra en valores inmobiliarios residenciales localizados en áreas litorales donde la presión del sector turístico ha impulsado un amplio. Para ello, el ámbito territorial seleccionado como objeto de estudio se sitúa en la costa mediterránea española, al sur de la provincia de Alicante, la comarca de la Vega Baja del Segura. La zona, con una amplia diversidad ecológica y paisajística, ha mantenido históricamente una clara distinción entre espacio urbano y espacio rural. Esta dicotomía ha cambiado drásticamente en las últimas décadas, experimentándose un fuerte crecimiento demográfico y económico ligado a los sectores turístico e inmobiliario, aspectos que han tenido un claro reflejo en los valores inmobiliarios. Este desarrollo de la comarca es un claro ejemplo de la política expansionista de los mercados de suelo que ha tenido lugar en la costa española en las dos últimas décadas y que derivado en la regeneración de un amplio tejido suburbano. El conocimiento del marco territorial ha posibilitado realizar un análisis de variabilidad espacial mediante un tratamiento masivo de datos, así como un análisis econométrico que determina los factores que se valoran positivamente y negativamente por el potencial comprador. Estas relaciones permiten establecer diferentes estructuras matemáticas basadas en los modelos de precios hedónicos, que permiten identificar rasgos diferenciales en los ámbitos económico, social y espacial y su incidencia en el valor inmobiliario. También se ha sistematizado un proceso de valoración territorial a través del análisis del concepto de vulnerabilidad estructural, entendido como una situación de fragilidad debida a circunstancias tanto sociales como económicas, tanto actual como de tendencia en el futuro. Actualmente, esta estructura de demanda de segunda residencia y servicios ha mostrado su fragilidad y ha bloqueado el desarrollo económico de la zona al caer drásticamente la inversión en el sector inmobiliario por la crisis global de la deuda. El proceso se ha agravado al existir un tejido industrial marginal al que no se ha derivado inversiones importantes y un abandono progresivo de las explotaciones agropecuarias. El modelo turístico no sería en sí mismo la causa del bloqueo del desarrollo económico comarcal, sino la forma en que se ha implantado en la Costa Blanca, con un consumo del territorio basado en el corto plazo, poco respetuoso con aspectos paisajísticos y medioambientales, y sin una organización territorial global. Se observa cómo la vinculación entre índices de vulnerabilidad y valor inmobiliario no es especialmente significativa, lo que denota que las tendencias futuras de fragilidad no han sido incorporadas a la hora de establecer los precios de venta del producto inmobiliario analizado. El valor muestra una clara dependencia del sistema de asentamiento y conservación de las áreas medioambientales y un claro reconocimiento de tipologías propias del medio rural aunque vinculadas al sector turístico. En la actualidad, el continuo descenso de la demanda turística ha provocado una clara modificación en la estructura poblacional y económica. Al incorporar estas modificaciones a los modelos especificados podemos comprobar un verdadero desmoronamiento de los valores. Es posible que el remanente de vivienda construida actualmente vaya dirigido a un potencial comprador que se encuentra en retroceso y que se vincula a unos rasgos territoriales ya no existentes. Encontrar soluciones adaptables a la oferta existente, implica la viabilidad de renovación del sistema poblacional o modificaciones a nivel económico. La búsqueda de respuestas a estas cuestiones señala la necesidad de recanalizar el desarrollo, sin obviar la potencialidad del ámbito. SUMMARY One of the main lines of research regarding the urban economy focuses on the behavior of the real estate market and its relationship to territorial structure. Within this context, one of the most important themes involves considering the significance of urban property value and dealing with its variability, particularly given the significant role of the real estate market in Spain, both in the past and present. The main objective of this study is to identify those factors linked to location, which explain the formation of property values and justify their variability. Defining this process requires carrying out an evaluation on a territorial scale, establishing the socioeconomic, environmental and urban planning factors that constitute urban development and influence the demand for housing, thereby defining the processes by which their value is established. The analysis targets residential real estate values in coastal areas where pressure from the tourism industry has prompted large-scale transformations. Therefore, the focal point of this study is an area known as Vega Baja del Segura, which is located on the Spanish Mediterranean coast in southern Alicante (province). Characterized by its scenic and ecological diversity, this area has historically maintained a clear distinction between urban and rural spaces. This dichotomy has drastically changed in past decades due to the large increase in population attributed to the tourism and real estate markets – factors which have had a direct effect on property values. The development of this area provides a clear example of the expansionary policies which have affected the housing market on the coast of Spain during the past two decades, resulting in a large increase in suburban development. Understanding the territorial framework has made it possible to carry out a spatial variability analysis through massive data processing, as well as an econometric analysis that determines the factors that are evaluated positively and negatively by potential buyers. These relationships enable us to establish different mathematical systems based on hedonic pricing models that facilitate the identification of differential features in the economic, social and spatial spheres, and their impact on property values. Additionally, a process for land valuation was established through an analysis of the concept of structural vulnerability, which is understood to be a fragile situation resulting from either social or economic circumstances. Currently, this demand structure for second homes and services has demonstrated its fragility and has inhibited the area’s economic development as a result of the drastic fall in investment in the real estate market, due to the global debt crisis. This process has been worsened by the existence of a marginal industrial base into which no important investments have been channeled, combined with the progressive abandonment of agricultural and fishing operations. In and of itself, the tourism model did not inhibit the area’s economic development, rather it is the result of the manner in which it was implemented on the Costa Brava, with a land consumption based on the short-term, lacking respect for landscape and environmental aspects and without a comprehensive organization of the territory. It is clear that the link between vulnerability indexes and property values is not particularly significant, thereby indicating that future fragility trends have not been incorporated into the problem in terms of establishing the sale prices of the analyzed real estate product in question. Urban property values are clearly dependent on the system of development and environmental conservation, as well as on a clear recognition of the typologies that characterize rural areas, even those linked to the tourism industry. Today, the continued drop in tourism demand has provoked an obvious modification in the populational and economic structures. By incorporating these changes into the specified models, we can confirm a real collapse in values. It’s possible that the surplus of already-built homes is currently being marketed to a potential buyer who is in recession and linked to certain territorial characteristics that no longer exist. Finding solutions that can be adapted to the existing offer implies the viability of renewing the population system or carrying out modifications on an economic level. The search for answers to these questions suggests the need to reform the development model, without leaving out an area’s potentiality.

Geological patterns in the collapse of certain rock sanctuaries of Spain

Descripción de ciertos rasgos geológicos que amenazan el patrimonio religioso rupestre español. Rock sanctuaries are a historical heritage not as well-known as other religious constructions, due to their usual recondite location and abandoned condition. Spain has a large number of examples, mostly excavated during the Early Middle Age or even before. Fortunately, some of them are used on present worship, but the majority of these ancient shrines have suffered of severe damage through time, mostly due to common geological patterns. Some others threaten to collapse soon unless urgent remedial improvement is applied. Some examples at different locations are shown, reviewing their problems, which involve weathering, major rock cracks, soft rock pillars and others related to the defective site where they were located.