A Semi-Lagrangian Particle Level Set Finite Element Method for Interface Problems

We present a quasi-monotone semi-Lagrangian particle level set (QMSL-PLS) method for moving interfaces. The QMSL method is a blend of first order monotone and second order semi-Lagrangian methods. The QMSL-PLS method is easy to implement, efficient, and well adapted for unstructured, either simplicial or hexahedral, meshes. We prove that it is unconditionally stable in the maximum discrete norm, � · �h,∞, and the error analysis shows that when the level set solution u(t) is in the Sobolev space Wr+1,∞(D), r ≥ 0, the convergence in the maximum norm is of the form (KT/Δt)min(1,Δt � v �h,∞ /h)((1 − α)hp + hq), p = min(2, r + 1), and q = min(3, r + 1),where v is a velocity. This means that at high CFL numbers, that is, when Δt > h, the error is O( (1−α)hp+hq) Δt ), whereas at CFL numbers less than 1, the error is O((1 − α)hp−1 + hq−1)). We have tested our method with satisfactory results in benchmark problems such as the Zalesak’s slotted disk, the single vortex flow, and the rising bubble.

Representing microstates of static granular matter in a stress phase space

A stress phase space is proposed to compare the static packings of a granular system (microstates) that are compatible to a macrostate described by external stresses. The equivalent stress of each particle of a static packing can be obtained from the mechanical interaction forces, and the associated volume is given by the respective Voronoi cell. Therefore, particles can be located at different stress levels and grouped into categories or configurations, which are defined in base of the geometrical features of the local arrangement (in particular, of the number of forces that keep them force-balanced). They can be represented as points in a stress phase space. The nature of this space is analyzed in detail. The integration limits of the stress variables that avoid or limit tensile states and the capability of each configuration to represent specific stress states establish its main features. Furthermore, if some stress variables are used, instead of the usual components of the Cauchy stress tensor, then some symmetries can be found. Results obtained from molecular dynamics simulations are used to check this nature. Finally, some statistical ensembles are written in terms of the coordinates of this phase space. These require some assumptions that are made in base on continuum mechanics principles.

Generación de modelos físicos personalizados y segmentación de la pared arterial y el trombo intraluminal en imágenes de aneurismas aórticos abdominales

Esta tesis doctoral está encuadrada dentro del marco general de la ingeniería biomédica aplicada al tratamiento de las enfermedades cardiovasculares, enfermedades que provocan alrededor de 1.9 millones (40%) de muertes al año en la Unión Europea. En este contexto surge el proyecto europeo SCATh-Smart Catheterization, cuyo objetivo principal es mejorar los procedimientos de cateterismo aórtico introduciendo nuevas tecnologías de planificación y navegación quirúrgica y minimizando el uso de fluoroscopía. En particular, esta tesis aborda el modelado y diagnóstico de aneurismas aórticos abdominales (AAA) y del trombo intraluminal (TIL), allí donde esté presente, así como la segmentación de estas estructuras en imágenes preoperatorias de RM. Los modelos físicos específicos del paciente, construidos a partir de imágenes médicas preoperatorias, tienen múltiples usos, que van desde la evaluación preoperatoria de estructuras anatómicas a la planificación quirúrgica para el guiado de catéteres. En el diagnóstico y tratamiento de AAA, los modelos físicos son útiles a la hora de evaluar diversas variables biomecánicas y fisiológicas de las estructuras vasculares. Existen múltiples técnicas que requieren de la generación de modelos físicos que representen la anatomía vascular. Una de las principales aplicaciones de los modelos físicos es el análisis de elementos finitos (FE). Las simulaciones de FE para AAA pueden ser específicas para el paciente y permiten modelar estados de estrés complejos, incluyendo los efectos provocados por el TIL. La aplicación de métodos numéricos de análisis tiene como requisito previo la generación de una malla computacional que representa la geometría de interés mediante un conjunto de elementos poliédricos, siendo los hexaédricos los que presentan mejores resultados. En las estructuras vasculares, generar mallas hexaédricas es un proceso especialmente exigente debido a la compleja anatomía 3D ramificada. La mayoría de los AAA se encuentran situados en la bifurcación de la arteria aorta en las arterias iliacas y es necesario modelar de manera fiel dicha bifurcación. En el caso de que la sangre se estanque en el aneurisma provocando un TIL, éste forma una estructura adyacente a la pared aórtica. De este modo, el contorno externo del TIL es el mismo que el contorno interno de la pared, por lo que las mallas resultantes deben reflejar esta particularidad, lo que se denomina como "mallas conformadas". El fin último de este trabajo es modelar las estructuras vasculares de modo que proporcionen nuevas herramientas para un mejor diagnóstico clínico, facilitando medidas de riesgo de rotura de la arteria, presión sistólica o diastólica, etc. Por tanto, el primer objetivo de esta tesis es diseñar un método novedoso y robusto para generar mallas hexaédricas tanto de la pared aórtica como del trombo. Para la identificación de estas estructuras se utilizan imágenes de resonancia magnética (RM). Deben mantenerse sus propiedades de adyacencia utilizando elementos de alta calidad, prestando especial atención al modelado de la bifurcación y a que sean adecuadas para el análisis de FE. El método tiene en cuenta la evolución de la línea central del vaso en el espacio tridimensional y genera la malla directamente a partir de las imágenes segmentadas, sin necesidad de reconstruir superficies triangulares. Con el fin de reducir la intervención del usuario en el proceso de generación de las mallas, es también objetivo de esta tesis desarrollar un método de segmentación semiautomática de las distintas estructuras de interés. Las principales contribuciones de esta tesis doctoral son: 1. El diseño, implementación y evaluación de un algoritmo de generación de mallas hexaédricas conformadas de la pared y el TIL a partir de los contornos segmentados en imágenes de RM. Se ha llevado a cabo una evaluación de calidad que determine su aplicabilidad a métodos de FE. Los resultados demuestran que el algoritmo desarrollado genera mallas conformadas de alta calidad incluso en la región de la bifurcación, que son adecuadas para su uso en métodos de análisis de FE. 2. El diseño, implementación y evaluación de un método de segmentación automático de las estructuras de interés. La luz arterial se segmenta de manera semiautomática utilizando un software disponible a partir de imágenes de RM con contraste. Los resultados de este proceso sirven de inicialización para la segmentación automática de las caras interna y externa de la pared aórtica utilizando métodos basado en modelos de textura y forma a partir de imágenes de RM sin contraste. Los resultados demuestran que el algoritmo desarrollado proporciona segmentaciones fieles de las distintas estructuras de interés. En conclusión, el trabajo realizado en esta tesis doctoral corrobora las hipótesis de investigación postuladas, y pretende servir como aportación para futuros avances en la generación de modelos físicos de geometrías biológicas. ABSTRACT The frame of this PhD Thesis is the biomedical engineering applied to the treatment of cardiovascular diseases, which cause around 1.9 million deaths per year in the European Union and suppose about 40% of deaths per year. In this context appears the European project SCATh-Smart Catheterization. The main objective of this project is creating a platform which improves the navigation of catheters in aortic catheterization minimizing the use of fluoroscopy. In the framework of this project, the specific field of this PhD Thesis is the diagnosis and modeling of abdominal aortic aneurysm (AAAs) and the intraluminal thrombus (ILT) whenever it is present. Patient-specific physical models built from preoperative imaging are becoming increasingly important in the area of minimally invasive surgery. These models can be employed for different purposes, such as the preoperatory evaluation of anatomic structures or the surgical planning for catheter guidance. In the specific case of AAA diagnosis and treatment, physical models are especially useful for evaluating pressures over vascular structures. There are multiple techniques that require the generation of physical models which represent the target anatomy. Finite element (FE) analysis is one the principal applications for physical models. FE simulations for AAA may be patient-specific and allow modeling biomechanical and physiological variables including those produced by ILT, and also the segmentation of those anatomical structures in preoperative MR images. Applying numeric methods requires the generation of a proper computational mesh. These meshes represent the patient anatomy using a set of polyhedral elements, with hexahedral elements providing better results. In the specific case of vascular structures, generating hexahedral meshes is a challenging task due to the complex 3D branching anatomy. Each patient’s aneurysm is unique, characterized by its location and shape, and must be accurately represented for subsequent analyses to be meaningful. Most AAAs are located in the region where the aorta bifurcates into the iliac arteries and it is necessary to model this bifurcation precisely and reliably. If blood stagnates in the aneurysm and forms an ILT, it exists as a conforming structure with the aortic wall, i.e. the ILT’s outer contour is the same as the wall’s inner contour. Therefore, resulting meshes must also be conforming. The main objective of this PhD Thesis is designing a novel and robust method for generating conforming hexahedral meshes for the aortic wall and the thrombus. These meshes are built using largely high-quality elements, especially at the bifurcation, that are suitable for FE analysis of tissue stresses. The method accounts for the evolution of the vessel’s centerline which may develop outside a single plane, and generates the mesh directly from segmented images without the requirement to reconstruct triangular surfaces. In order to reduce the user intervention in the mesh generation process is also a goal of this PhD. Thesis to develop a semiautomatic segmentation method for the structures of interest. The segmentation is performed from magnetic resonance image (MRI) sequences that have tuned to provide high contrast for the arterial tissue against the surrounding soft tissue, so that we determine the required information reliably. The main contributions of this PhD Thesis are: 1. The design, implementation and evaluation of an algorithm for generating hexahedral conforming meshes of the arterial wall and the ILT from the segmented contours. A quality inspection has been applied to the meshes in order to determine their suitability for FE methods. Results show that the developed algorithm generates high quality conforming hexahedral meshes even at the bifurcation region. Thus, these meshes are suitable for FE analysis. 2. The design, implementation and evaluation of a semiautomatic segmentation method for the structures of interest. The lumen is segmented in a semiautomatic way from contrast filled MRI using an available software. The results obtained from this process are used to initialize the automatic segmentation of the internal and external faces of the aortic wall. These segmentations are performed by methods based on texture and shape models from MRI with no contrast. The results show that the algorithm provides faithful segmentations of the structures of interest requiring minimal user intervention. In conclusion, the work undertaken in this PhD. Thesis verifies the investigation hypotheses. It intends to serve as basis for future physical model generation of proper biological anatomies used by numerical methods.

Investigación de fenómenos de galope en cuerpos de diversa sección transversal

Los fenómenos aeroelásticos son relativamente frecuentes en las construcciones civiles modernas como edificios de oficinas, terminales de aeropuertos o fábricas. En este tipo de arquitectura aparecen con frecuencia estructuras flexibles sometidas a la acción del viento, como por ejemplo persianas formadas por láminas con distintos perfiles. Uno de estos perfiles es el perfil en Z, formado por un elemento central y dos alas laterales. Las inestabilidades de tipo galope se determinan en la práctica utilizando el criterio Glauert-Den Hartog. Este criterio precisa de la predicción exacta de la dependencia de los coeficientes aerodinámicos del ángulo de ataque. En esta tesis se presenta un estudio sistemático, tanto por métodos experimentales como numéricos de una familia completa de perfiles en Z que permite determinar sus regiones de inestabilidad frente al galope. Los análisis numéricos han sido validados con ensayos estáticos realizados en túnel de viento. Para la parte numérica se ha utilizado el código DLR TAU, que es un código de amplia utilización en la industria aeronáutica europea. En esta tesis se enfoca sobre todo a la predicción del galope en este tipo de perfiles en Z. Los resultados se presentan en forma de mapas de estabilidad. A lo largo del trabajo se realizan también comparaciones entre resultados numéricos y experimentales para varios niveles de detalle de las mallas empleadas y diversos modelos de turbulencia. ABSTRACT Aeroelastic effects are relatively common in the design of modern civil constructions such as office blocks, airport terminal buildings, and factories. Typical flexible structures exposed to the action of wind are shading devices, normally slats or louvers. A typical cross-section for such elements is a Z-shaped profile,made out of a central web and two-sidewings. Galloping instabilities are often determined in practice using the Glauert-DenHartog criterion.This criterion relies on accurate predictions of the dependence of the aerodynamic force coefficients with the angle of attack. The results of a parametric analysis based on both experimental and numerical analysis and performed on different Z-shaped louvers to determine translational galloping instability regions are presented in this thesis. These numerical analysis results have been validated with a parametric analysis of Z-shaped profiles based on static wind tunnel tests. In order to perform this validation, the DLR TAU Code, which is a standard code within the European aeronautical industry, has been used. This study highlights the focus on the numerical prediction of the effect of galloping, which is shown in a visible way, through stability maps. Comparisons between numerical and experimental data are presented with respect to various meshes and turbulence models.

Auscultación de presas de hormigón con láser escáner terrestre y modelización de las deformaciones del paramento

Se está produciendo en la geodesia un cambio de paradigma en la concepción de los modelos digitales del terreno, pasando de diseñar el modelo con el menor número de puntos posibles a hacerlo con cientos de miles o millones de puntos. Este cambio ha sido consecuencia de la introducción de nuevas tecnologías como el escáner láser, la interferometría radar y el tratamiento de imágenes. La rápida aceptación de estas nuevas tecnologías se debe principalmente a la gran velocidad en la toma de datos, a la accesibilidad por no precisar de prisma y al alto grado de detalle de los modelos. Los métodos topográficos clásicos se basan en medidas discretas de puntos que considerados en su conjunto forman un modelo; su precisión se deriva de la precisión en la toma singular de estos puntos. La tecnología láser escáner terrestre (TLS) supone una aproximación diferente para la generación del modelo del objeto observado. Las nubes de puntos, producto del escaneo con TLS, pasan a ser tratadas en su conjunto mediante análisis de áreas, de forma que ahora el modelo final no es el resultado de una agregación de puntos sino la de la mejor superficie que se adapta a las nubes de puntos. Al comparar precisiones en la captura de puntos singulares realizados con métodos taquimétricos y equipos TLS la inferioridad de estos últimos es clara; sin embargo es en el tratamiento de las nubes de puntos, con los métodos de análisis basados en áreas, se han obtenido precisiones aceptables y se ha podido considerar plenamente la incorporación de esta tecnología en estudios de deformaciones y movimientos de estructuras. Entre las aplicaciones del TLS destacan las de registro del patrimonio, registro de las fases en la construcción de plantas industriales y estructuras, atestados de accidentes y monitorización de movimientos del terreno y deformaciones de estructuras. En la auscultación de presas, comparado con la monitorización de puntos concretos dentro, en coronación o en el paramento de la presa, disponer de un modelo continuo del paramento aguas abajo de la presa abre la posibilidad de introducir los métodos de análisis de deformaciones de superficies y la creación de modelos de comportamiento que mejoren la comprensión y previsión de sus movimientos. No obstante, la aplicación de la tecnología TLS en la auscultación de presas debe considerarse como un método complementario a los existentes. Mientras que los péndulos y la reciente técnica basada en el sistema de posicionamiento global diferencial (DGPS) dan una información continua de los movimientos de determinados puntos de la presa, el TLS permite ver la evolución estacional y detectar posibles zonas problemáticas en todo el paramento. En este trabajo se analizan las características de la tecnología TLS y los parámetros que intervienen en la precisión final de los escaneos. Se constata la necesidad de utilizar equipos basados en la medida directa del tiempo de vuelo, también llamados pulsados, para distancias entre 100 m y 300 m Se estudia la aplicación del TLS a la modelización de estructuras y paramentos verticales. Se analizan los factores que influyen en la precisión final, como el registro de nubes, tipo de dianas y el efecto conjunto del ángulo y la distancia de escaneo. Finalmente, se hace una comparación de los movimientos dados por los péndulos directos de una presa con los obtenidos del análisis de las nubes de puntos correspondientes a varias campañas de escaneos de la misma presa. Se propone y valida el empleo de gráficos patrón para relacionar las variables precisión o exactitud con los factores distancia y ángulo de escaneo en el diseño de trabajos de campo. Se expone su aplicación en la preparación del trabajo de campo para la realización de una campaña de escaneos dirigida al control de movimientos de una presa y se realizan recomendaciones para la aplicación de la técnica TLS a grandes estructuras. Se ha elaborado el gráfico patrón de un equipo TLS concreto de alcance medio. Para ello se hicieron dos ensayos de campo en condiciones reales de trabajo, realizando escaneos en todo el rango de distancias y ángulos de escaneo del equipo. Se analizan dos métodos para obtener la precisión en la modelización de paramentos y la detección de movimientos de estos: el método del “plano de mejor ajuste” y el método de la “deformación simulada”. Por último, se presentan los resultados de la comparación de los movimientos estacionales de una presa arco-gravedad entre los registrados con los péndulos directos y los obtenidos a partir de los escaneos realizados con un TLS. Los resultados muestran diferencias de milímetros, siendo el mejor de ellos del orden de un milímetro. Se explica la metodología utilizada y se hacen consideraciones respecto a la densidad de puntos de las nubes y al tamaño de las mallas de triángulos. A shift of paradigm in the conception of the survey digital models is taking place in geodesy, moving from designing a model with the fewer possible number of points to models of hundreds of thousand or million points. This change has happened because of the introduction of new technologies like the laser scanner, the interferometry radar and the processing of images. The fast acceptance of these new technologies has been due mainly to the great speed getting the data, to the accessibility as reflectorless technique, and to the high degree of detail of the models. Classic survey methods are based on discreet measures of points that, considered them as a whole, form a model; the precision of the model is then derived from the precision measuring the single points. The terrestrial laser scanner (TLS) technology supposes a different approach to the model generation of the observed object. Point cloud, the result of a TLS scan, must be treated as a whole, by means of area-based analysis; so, the final model is not an aggregation of points but the one resulting from the best surface that fits with the point cloud. Comparing precisions between the one resulting from the capture of singular points made with tachometric measurement methods and with TLS equipment, the inferiority of this last one is clear; but it is in the treatment of the point clouds, using area-based analysis methods, when acceptable precisions have been obtained and it has been possible to consider the incorporation of this technology for monitoring structures deformations. Among TLS applications it have to be emphasized those of registry of the cultural heritage, stages registry during construction of industrial plants and structures, police statement of accidents and monitorization of land movements and structures deformations. Compared with the classical dam monitoring, approach based on the registry of a set of points, the fact having a continuous model of the downstream face allows the possibility of introducing deformation analysis methods and behavior models that would improve the understanding and forecast of dam movements. However, the application of TLS technology for dam monitoring must be considered like a complementary method with the existing ones. Pendulums and recently the differential global positioning system (DGPS) give a continuous information of the movements of certain points of the dam, whereas TLS allows following its seasonal evolution and to detect damaged zones of the dam. A review of the TLS technology characteristics and the factors affecting the final precision of the scanning data is done. It is stated the need of selecting TLS based on the direct time of flight method, also called pulsed, for scanning distances between 100m and 300m. Modelling of structures and vertical walls is studied. Factors that influence in the final precision, like the registry of point clouds, target types, and the combined effect of scanning distance and angle of incidence are analyzed. Finally, a comparison among the movements given by the direct pendulums of a dam and the ones obtained from the analysis of point clouds is done. A new approach to obtain a complete map-type plot of the precisions of TLS equipment based on the direct measurement of time of flight method at midrange distances is presented. Test were developed in field-like conditions, similar to dam monitoring and other civil engineering works. Taking advantage of graphic semiological techniques, a “distance - angle of incidence” map based was designed and evaluated for field-like conditions. A map-type plot was designed combining isolines with sized and grey scale points, proportional to the precision values they represent. Precisions under different field conditions were compared with specifications. For this purpose, point clouds were evaluated under two approaches: the standar "plane-of-best-fit" and the proposed "simulated deformation”, that showed improved performance. These results lead to a discussion and recommendations about optimal TLS operation in civil engineering works. Finally, results of the comparison of seasonal movements of an arc-gravity dam between the registered by the direct pendulums ant the obtained from the TLS scans, are shown. The results show differences of millimeters, being the best around one millimeter. The used methodology is explained and considerations with respect to the point cloud density and to the size of triangular meshes are done.

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.

On the application of meshfree methods to the nonlinear dynamics of multibody systems

Esta tesis propone una completa formulación termo-mecánica para la simulación no-lineal de mecanismos flexibles basada en métodos libres de malla. El enfoque se basa en tres pilares principales: la formulación de Lagrangiano total para medios continuos, la discretización de Bubnov-Galerkin, y las funciones de forma libres de malla. Los métodos sin malla se caracterizan por la definición de un conjunto de funciones de forma en dominios solapados, junto con una malla de integración de las ecuaciones discretas de balance. Dos tipos de funciones de forma se han seleccionado como representación de las familias interpolantes (Funciones de Base Radial) y aproximantes (Mínimos Cuadrados Móviles). Su formulación se ha adaptado haciendo sus parámetros compatibles, y su ausencia de conectividad predefinida se ha aprovechado para interconectar múltiples dominios de manera automática, permitiendo el uso de mallas de fondo no conformes. Se propone una formulación generalizada de restricciones, juntas y contactos, válida para sólidos rígidos y flexibles, siendo estos últimos discretizados mediante elementos finitos (MEF) o libres de malla. La mayor ventaja de este enfoque reside en que independiza completamente el dominio con respecto de las uniones y acciones externas a cada sólido, permitiendo su definición incluso fuera del contorno. Al mismo tiempo, también se minimiza el número de ecuaciones de restricción necesarias para la definición de uniones realistas. Las diversas validaciones, ejemplos y comparaciones detalladas muestran como el enfoque propuesto es genérico y extensible a un gran número de sistemas. En concreto, las comparaciones con el MEF indican una importante reducción del error para igual número de nodos, tanto en simulaciones mecánicas, como térmicas y termo-mecánicas acopladas. A igualdad de error, la eficiencia numérica de los métodos libres de malla es mayor que la del MEF cuanto más grosera es la discretización. Finalmente, la formulación se aplica a un problema de diseño real sobre el mantenimiento de estructuras masivas en el interior de un reactor de fusión, demostrando su viabilidad en análisis de problemas reales, y a su vez mostrando su potencial para su uso en simulación en tiempo real de sistemas no-lineales. A new complete formulation is proposed for the simulation of nonlinear dynamic of multibody systems with thermo-mechanical behaviour. The approach is founded in three main pillars: total Lagrangian formulation, Bubnov-Galerkin discretization, and meshfree shape functions. Meshfree methods are characterized by the definition of a set of shape functions in overlapping domains, and a background grid for integration of the Galerkin discrete equations. Two different types of shape functions have been chosen as representatives of interpolation (Radial Basis Functions), and approximation (Moving Least Squares) families. Their formulation has been adapted to use compatible parameters, and their lack of predefined connectivity is used to interconnect different domains seamlessly, allowing the use of non-conforming meshes. A generalized formulation for constraints, joints, and contacts is proposed, which is valid for rigid and flexible solids, being the later discretized using either finite elements (FEM) or meshfree methods. The greatest advantage of this approach is that makes the domain completely independent of the external links and actions, allowing to even define them outside of the boundary. At the same time, the number of constraint equations needed for defining realistic joints is minimized. Validation, examples, and benchmarks are provided for the proposed formulation, demonstrating that the approach is generic and extensible to further problems. Comparisons with FEM show a much lower error for the same number of nodes, both for mechanical and thermal analyses. The numerical efficiency is also better when coarse discretizations are used. A final demonstration to a real problem for handling massive structures inside of a fusion reactor is presented. It demonstrates that the application of meshfree methods is feasible and can provide an advantage towards the definition of nonlinear real-time simulation models.

Depth Averaged Models for Fast Landslide Propagation: Mathematical, Rheological and Numerical Aspects

This paper presents an overview of depth averaged modelling of fast catastrophic landslides where coupling of solid skeleton and pore fluid (air and water) is important. The first goal is to show how Biot-Zienkiewicz models can be applied to develop depth integrated, coupled models. The second objective of the paper is to consider a link which can be established between rheological and constitutive models. Perzyna´s viscoplasticity can be considered a general framework within which rheological models such as Bingham and cohesive frictional fluids can be derived. Among the several alternative numerical models, we will focus here on SPH which has not been widely applied by engineers to model landslide propagation. We propose an improvement, based on combining Finite Difference meshes associated to SPH nodes to describe pore pressure evolution inside the landslide mass. We devote a Section to analyze the performance of the models, considering three sets of tests and examples which allows to assess the model performance and limitations: (i) Problems having an analytical solution, (ii) Small scale laboratory tests, and (iii) Real cases for which we have had access to reliable information

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.

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

Intrinsic compressibility and volume compression in solvated proteins by molecular dynamics simulation at high pressure.

Constant pressure and temperature molecular dynamics techniques have been employed to investigate the changes in structure and volumes of two globular proteins, superoxide dismutase and lysozyme, under pressure. Compression (the relative changes in the proteins' volumes), computed with the Voronoi technique, is closely related with the so-called protein intrinsic compressibility, estimated by sound velocity measurements. In particular, compression computed with Voronoi volumes predicts, in agreement with experimental estimates, a negative bound water contribution to the apparent protein compression. While the use of van der Waals and molecular volumes underestimates the intrinsic compressibilities of proteins, Voronoi volumes produce results closer to experimental estimates. Remarkably, for two globular proteins of very different secondary structures, we compute identical (within statistical error) protein intrinsic compressions, as predicted by recent experimental studies. Changes in the protein interatomic distances under compression are also investigated. It is found that, on average, short distances compress less than longer ones. This nonuniform contraction underlines the peculiar nature of the structural changes due to pressure in contrast with temperature effects, which instead produce spatially uniform changes in proteins. The structural effects observed in the simulations at high pressure can explain protein compressibility measurements carried out by fluorimetric and hole burning techniques. Finally, the calculation of the proteins static structure factor shows significant shifts in the peaks at short wavenumber as pressure changes. These effects might provide an alternative way to obtain information concerning compressibilities of selected protein regions.

Método multigrid algébrico: reutilização das estruturas multigrid no transporte de contaminantes

A necessidade de obter solução de grandes sistemas lineares resultantes de processos de discretização de equações diferenciais parciais provenientes da modelagem de diferentes fenômenos físicos conduz à busca de técnicas numéricas escaláveis. Métodos multigrid são classificados como algoritmos escaláveis.Um estimador de erros deve estar associado à solução numérica do problema discreto de modo a propiciar a adequada avaliação da solução obtida pelo processo de aproximação. Nesse contexto, a presente tese caracteriza-se pela proposta de reutilização das estruturas matriciais hierárquicas de operadores de transferência e restrição dos métodos multigrid algébricos para acelerar o tempo de solução dos sistemas lineares associados à equação do transporte de contaminantes em meio poroso saturado. Adicionalmente, caracteriza-se pela implementação das estimativas residuais para os problemas que envolvem dados constantes ou não constantes, os regimes de pequena ou grande advecção e pela proposta de utilização das estimativas residuais associadas ao termo de fonte e à condição inicial para construir procedimentos adaptativos para os dados do problema. O desenvolvimento dos códigos do método de elementos finitos, do estimador residual e dos procedimentos adaptativos foram baseados no projeto FEniCS, utilizando a linguagem de programação PYTHONR e desenvolvidos na plataforma Eclipse. A implementação dos métodos multigrid algébricos com reutilização considera a biblioteca PyAMG. Baseado na reutilização das estruturas hierárquicas, os métodos multigrid com reutilização com parâmetro fixo e automática são propostos, e esses conceitos são estendidos para os métodos iterativos não-estacionários tais como GMRES e BICGSTAB. Os resultados numéricos mostraram que o estimador residual captura o comportamento do erro real da solução numérica, e fornece algoritmos adaptativos para os dados cuja malha retornada produz uma solução numérica similar à uma malha uniforme com mais elementos. Adicionalmente, os métodos com reutilização são mais rápidos que os métodos que não empregam o processo de reutilização de estruturas. Além disso, a eficiência dos métodos com reutilização também pode ser observada na solução do problema auxiliar, o qual é necessário para obtenção das estimativas residuais para o regime de grande advecção. Esses resultados englobam tanto os métodos multigrid algébricos do tipo SA quanto os métodos pré-condicionados por métodos multigrid algébrico SA, e envolvem o transporte de contaminantes em regime de pequena e grande advecção, malhas estruturadas e não estruturadas, problemas bidimensionais, problemas tridimensionais e domínios com diferentes escalas.

Análise elastoplástica bidimensional de meios reforçados com fibras

De modo a satisfazer aspectos de resistência, custo ou conforto, o aperfeiçoamento do desempenho das estruturas é uma meta sempre almejada na Engenharia. Melhorias têm sido alcançadas dado ao crescente uso de materiais compósitos, pois estes apresentam propriedades físicas diferenciadas capazes de atender as necessidades de projeto. Associado ao emprego de compósitos, o estudo da plasticidade demonstra uma interessante alternativa para aumentar o desempenho estrutural ao conferir uma capacidade resistente adicional ao conjunto. Entretanto, alguns problemas podem ser encontrados na análise elastoplástica de compósitos, além das próprias dificuldades inerentes à incorporação de fibras na matriz, no caso de compósitos reforçados. A forma na qual um compósito reforçado por fibras e suas fases têm sua representação e simulação é de extrema importância para garantir que os resultados obtidos sejam compatíveis com a realidade. À medida que se desenvolvem modelos mais refinados, surgem problemas referentes ao custo computacional, além da necessidade de compatibilização dos graus de liberdade entre os nós das malhas de elementos finitos da matriz e do reforço, muitas vezes exigindo a coincidência das referidas malhas. O presente trabalho utiliza formulações que permitem a representação de compósitos reforçados com fibras sem que haja a necessidade de coincidência entre malhas. Além disso, este permite a simulação do meio e do reforço em regime elastoplástico com o objetivo de melhor estudar o real comportamento. O modelo constitutivo adotado para a plasticidade é o de von Mises 2D associativo com encruamento linear positivo e a solução deste modelo foi obtida através de um processo iterativo. A formulação de elementos finitos posicional é adotada com descrição Lagrangeana Total e apresenta as posições do corpo no espaço como parâmetros nodais. Com o intuito de averiguar a correta implementação das formulações consideradas, exemplos para validação e apresentação das funcionalidades do código computacional desenvolvido foram analisados.

Um modelo multiescala concorrente para representar o processo de fissuração do concreto.

Este trabalho propõe uma técnica de modelagem multiescala concorrente do concreto considerando duas escalas distintas: a mesoescala, onde o concreto é modelado como um material heterogêneo, e a macroescala, na qual o concreto é tratado como um material homogêneo. A heterogeneidade da estrutura mesoscópica do concreto é idealizada considerando três fases distintas, compostas pelos agregados graúdos e argamassa (matriz), estes considerados materiais homogêneos, e zona de transição interfacial (ZTI), tratada como a parte mais fraca entre as três fases. O agregado graúdo é gerado a partir de uma curva granulométrica e posicionado na matriz de forma aleatória. Seu comportamento mecânico é descrito por um modelo constitutivo elástico-linear, devido a sua maior resistência quando comparado com as outras duas fases do concreto. Elementos finitos contínuos com alta relação de aspecto em conjunto com um modelo constitutivo de dano são usados para representar o comportamento não linear do concreto, decorrente da iniciação de fissuras na ZTI e posterior propagação para a matriz, dando lugar à formação de macrofissuras. Os elementos finitos de interface com alta relação de aspecto são inseridos entre todos os elementos regulares da matriz e entre os da matriz e agregados, representando a ZTI, tornando-se potenciais caminhos de propagação de fissuras. No estado limite, quando a espessura do elemento de interface tende a zero (h ?0) e, consequentemente, a relação de aspecto tende a infinito, estes elementos apresentam a mesma cinemática da aproximação contínua de descontinuidades fortes (ACDF), sendo apropriados para representar a formação de descontinuidades associados a fissuras, similar aos modelos coesivos. Um modelo de dano à tração é proposto para representar o comportamento mecânico não linear das interfaces, associado à formação de fissuras, ou até mesmo ao eventual fechamento destas. A fim de contornar os problemas causados pela malha de elementos finitos de transição entre as malhas da macro e da mesoescala, que, em geral, apresentam diferenças expressivas 5 de refinamento, utiliza-se uma técnica recente de acoplamento de malhas não conformes. Esta técnica é baseada na definição de elementos finitos de acoplamento (EFAs), os quais são capazes de estabelecer a continuidade de deslocamento entre malhas geradas de forma completamente independentes, sem aumentar a quantidade total de graus de liberdade do problema, podendo ser utilizados tanto para acoplar malhas não sobrepostas quanto sobrepostas. Para tornar possível a análise em multiescala em casos nos quais a região de localização de deformações não pode ser definida a priori, propõe-se uma técnica multiescala adaptativa. Nesta abordagem, usa-se a distribuição de tensões da escala macroscópica como um indicador para alterar a modelagem das regiões críticas, substituindo-se a macroescala pela mesoescala durante a análise. Consequentemente, a malha macroscópica é automaticamente substituída por uma malha mesoscópica, onde o comportamento não linear está na iminência de ocorrer. Testes numéricos são desenvolvidos para mostrar a capacidade do modelo proposto de representar o processo de iniciação e propagação de fissuras na região tracionada do concreto. Os resultados numéricos são comparados com os resultados experimentais ou com aqueles obtidos através da simulação direta em mesoescala (SDM).

O elemento finito T6-3i na análise de placas e dinâmica de cascas.

O método dos elementos finitos é o método numérico mais difundido na análise de estruturas. Ao longo das últimas décadas foram formulados inúmeros elementos finitos para análise de cascas e placas. As formulações de elementos finitos lidam bem com o campo de deslocamentos, mas geralmente faltam testes que possam validar os resultados obtidos para o campo das tensões. Este trabalho analisa o elemento finito T6-3i, um elemento finito triangular de seis nós proposto dentro de uma formulação geometricamente exata, em relação aos seus resultados de tensões, comparando-os com as teorias analíticas de placas, resultados de tabelas para o cálculo de momentos em placas retangulares e do ANSYSr, um software comercial para análise estrutural, mostrando que o T6-3i pode apresentar resultados insatisfatórios. Na segunda parte deste trabalho, as potencialidades do T6-3i são expandidas, sendo proposta uma formulação dinâmica para análise não linear de cascas. Utiliza-se um modelo Lagrangiano atualizado e a forma fraca é obtida do Teorema dos Trabalhos Virtuais. São feitas simulações numéricas da deformação de domos finos que apresentam vários snap-throughs e snap-backs, incluindo domos com vincos curvos, mostrando a robustez, simplicidade e versatilidade do elemento na sua formulação e na geração das malhas não estruturadas necessárias para as simulações.