Fractografia quantitativa: análise do comportamento fractal de fratura em compósitos carbono/epóxi, por processamento digital de imagens

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

Zirconia-based dental crown to support a removable partial denture: a three-dimensional finite element analysis using contact elements and micro-CT data

Veneer fracture is the most common complication in zirconia-based restorations. The aim of this study was to evaluate the mechanical behavior of a zirconia-based crown in a lower canine tooth supporting removable partial denture (RPD) prosthesis, varying the bond quality of the veneer/coping interface. Microtomography (μCT) data of an extracted left lower canine were used to build the finite element model (M) varying the core material (gold core - MAu; zirconia core - MZi) and the quality of the veneer/core interface (complete bonded - MZi; incomplete bonded - MZi-NL). The incomplete bonding condition was only applied for zirconia coping by using contact elements (Target/Contact) with 0.3 frictional coefficients. Stress fields were obtained using Ansys Workbench 10.0. The loading condition (L = 1 N) was vertically applied at the base of the RPD prosthesis metallic support towards the dental apex. Maximum principal (σmax) and von Mises equivalent (σvM) stresses were obtained. The σmax (MPa) for the bonded condition was similar between gold and zirconia cores (MAu, 0.42; MZi, 0.40). The incomplete bonded condition (MZi-NL) raised σmax in the veneer up to 800% (3.23 MPa) in contrast to the bonded condition. The peak of σvM increased up to 270% in the MZi-NL. The incomplete bond condition increasing the stress in the veneer/zirconia interface.

Application of the log-conformation tensor to three-dimensional time-dependent free surface flows

The numerical simulation of flows of highly elastic fluids has been the subject of intense research over the past decades with important industrial applications. Therefore, many efforts have been made to improve the convergence capabilities of the numerical methods employed to simulate viscoelastic fluid flows. An important contribution for the solution of the High-Weissenberg Number Problem has been presented by Fattal and Kupferman [J. Non-Newton. Fluid. Mech. 123 (2004) 281-285] who developed the matrix-logarithm of the conformation tensor technique, henceforth called log-conformation tensor. Its advantage is a better approximation of the large growth of the stress tensor that occur in some regions of the flow and it is doubly beneficial in that it ensures physically correct stress fields, allowing converged computations at high Weissenberg number flows. In this work we investigate the application of the log-conformation tensor to three-dimensional unsteady free surface flows. The log-conformation tensor formulation was applied to solve the Upper-Convected Maxwell (UCM) constitutive equation while the momentum equation was solved using a finite difference Marker-and-Cell type method. The resulting developed code is validated by comparing the log-conformation results with the analytic solution for fully developed pipe flows. To illustrate the stability of the log-conformation tensor approach in solving three-dimensional free surface flows, results from the simulation of the extrudate swell and jet buckling phenomena of UCM fluids at high Weissenberg numbers are presented. (C) 2012 Elsevier B.V. All rights reserved.

Mixed Mode Fracture Behaviour of Piezoelectric Materials

Piezoelectrics present an interactive electromechanical behaviour that, especially in recent years, has generated much interest since it renders these materials adapt for use in a variety of electronic and industrial applications like sensors, actuators, transducers, smart structures. Both mechanical and electric loads are generally applied on these devices and can cause high concentrations of stress, particularly in proximity of defects or inhomogeneities, such as flaws, cavities or included particles. A thorough understanding of their fracture behaviour is crucial in order to improve their performances and avoid unexpected failures. Therefore, a considerable number of research works have addressed this topic in the last decades. Most of the theoretical studies on this subject find their analytical background in the complex variable formulation of plane anisotropic elasticity. This theoretical approach bases its main origins in the pioneering works of Muskelishvili and Lekhnitskii who obtained the solution of the elastic problem in terms of independent analytic functions of complex variables. In the present work, the expressions of stresses and elastic and electric displacements are obtained as functions of complex potentials through an analytical formulation which is the application to the piezoelectric static case of an approach introduced for orthotropic materials to solve elastodynamics problems. This method can be considered an alternative to other formalisms currently used, like the Stroh’s formalism. The equilibrium equations are reduced to a first order system involving a six-dimensional vector field. After that, a similarity transformation is induced to reach three independent Cauchy-Riemann systems, so justifying the introduction of the complex variable notation. Closed form expressions of near tip stress and displacement fields are therefore obtained. In the theoretical study of cracked piezoelectric bodies, the issue of assigning consistent electric boundary conditions on the crack faces is of central importance and has been addressed by many researchers. Three different boundary conditions are commonly accepted in literature: the permeable, the impermeable and the semipermeable (“exact”) crack model. This thesis takes into considerations all the three models, comparing the results obtained and analysing the effects of the boundary condition choice on the solution. The influence of load biaxiality and of the application of a remote electric field has been studied, pointing out that both can affect to a various extent the stress fields and the angle of initial crack extension, especially when non-singular terms are retained in the expressions of the electro-elastic solution. Furthermore, two different fracture criteria are applied to the piezoelectric case, and their outcomes are compared and discussed. The work is organized as follows: Chapter 1 briefly introduces the fundamental concepts of Fracture Mechanics. Chapter 2 describes plane elasticity formalisms for an anisotropic continuum (Eshelby-Read-Shockley and Stroh) and introduces for the simplified orthotropic case the alternative formalism we want to propose. Chapter 3 outlines the Linear Theory of Piezoelectricity, its basic relations and electro-elastic equations. Chapter 4 introduces the proposed method for obtaining the expressions of stresses and elastic and electric displacements, given as functions of complex potentials. The solution is obtained in close form and non-singular terms are retained as well. Chapter 5 presents several numerical applications aimed at estimating the effect of load biaxiality, electric field, considered permittivity of the crack. Through the application of fracture criteria the influence of the above listed conditions on the response of the system and in particular on the direction of crack branching is thoroughly discussed.

Magma injections and destabilization of basaltic volcanoes: a numerical study. Application to La Reunion (Indian ocean, France) and Stromboli (Tyrrhenian sea, Italy)

Most basaltic volcanoes are affected by recurrent lateral instabilities during their evolution. Numerous factors have been shown to be involved in the process of flank destabilization occurring over long periods of time or by instantaneous failures. However, the role of these factors on the mechanical behaviour and stability of volcanic edifices is poorly-constrained as lateral failure usually results from the combined effects of several parameters. Our study focuses on the morphological and structural comparison of two end-member basaltic systems, La Reunion (Indian ocean, France) and Stromboli (southern Tyrrhenian sea, Italy). We showed that despite major differences on their volumes and geodynamic settings, both systems present some similarities as they are characterized by an intense intrusive activity along well-developed rift zones and recurrent phenomena of flank collapse during their evolution. Among the factors of instability, the examples of la Reunion and Stromboli evidence the major contribution of intrusive complexes to volcano growth and destruction as attested by field observations and the monitoring of these active volcanoes. Classical models consider the relationship between vertical intrusions of magma and flank movements along a preexisting sliding surface. A set of published and new field data from Piton des Neiges volcano (La Reunion) allowed us to recognize the role of subhorizontal intrusions in the process of flank instability and to characterize the geometry of both subvertical and subhorizontal intrusions within basaltic edifices. This study compares the results of numerical modelling of the displacements associated with high-angle and low-angle intrusions within basaltic volcanoes. We use a Mixed Boundary Element Method to investigate the mechanical response of an edifice to the injection of magmatic intrusions in different stress fields. Our results indicate that the anisotropy of the stress field favours the slip along the intrusions due to cointrusive shear stress, generating flank-scale displacements of the edifice, especially in the case of subhorizontal intrusions, capable of triggering large-scale flank collapses on basaltic volcanoes. Applications of our theoretical results to real cases of flank displacements on basaltic volcanoes (such as the 2007 eruptive crisis at La Reunion and Stromboli) revealed that the previous model of subvertical intrusions-related collapse is a likely mechanism affecting small-scale steeply-sloping basaltic volcanoes like Stromboli. Furthermore, our field study combined to modelling results confirms the importance of shallow-dipping intrusions in the morpho-structural evolution of large gently-sloping basaltic volcanoes like Piton de la Fournaise, Etna and Kilauea, with particular regards to flank instability, which can cause catastrophic tsunamis.

Computer simulations of microstructures related to the olivine spinel transition

Tiefherd-Beben, die im oberen Erdmantel in einer Tiefe von ca. 400 km auftreten, werden gewöhnlich mit dem in gleicher Tiefe auftretenden druckabhängigen, polymorphen Phasenübergang von Olivine (α-Phase) zu Spinel (β-Phase) in Verbindung gebracht. Es ist jedoch nach wie vor unklar, wie der Phasenübergang mit dem mechanischen Versagen des Mantelmaterials zusammenhängt. Zur Zeit werden im Wesentlichen zwei Modelle diskutiert, die entweder Mikrostrukturen, die durch den Phasenübergang entstehen, oder aber die rheologischen Veränderungen des Mantelgesteins durch den Phasenübergang dafür verantwortlich machen. Dabei sind Untersuchungen der Olivin→Spinel Umwandlung durch die Unzugänglichkeit des natürlichen Materials vollständig auf theoretische Überlegungen sowie Hochdruck-Experimente und Numerische Simulationen beschränkt. Das zentrale Thema dieser Dissertation war es, ein funktionierendes Computermodell zur Simulation der Mikrostrukturen zu entwickeln, die durch den Phasenübergang entstehen. Des Weiteren wurde das Computer Modell angewandt um die mikrostrukturelle Entwicklung von Spinelkörnern und die Kontrollparameter zu untersuchen. Die Arbeit ist daher in zwei Teile unterteilt: Der erste Teil (Kap. 2 und 3) behandelt die physikalischen Gesetzmäßigkeiten und die prinzipielle Funktionsweise des Computer Modells, das auf der Kombination von Gleichungen zur Errechnung der kinetischen Reaktionsgeschwindigkeit mit Gesetzen der Nichtgleichgewichtsthermodynamik unter nicht-hydostatischen Bedingungen beruht. Das Computermodell erweitert ein Federnetzwerk der Software latte aus dem Programmpaket elle. Der wichtigste Parameter ist dabei die Normalspannung auf der Kornoberfläche von Spinel. Darüber hinaus berücksichtigt das Programm die Latenzwärme der Reaktion, die Oberflächenenergie und die geringe Viskosität von Mantelmaterial als weitere wesentliche Parameter in der Berechnung der Reaktionskinetic. Das Wachstumsverhalten und die fraktale Dimension von errechneten Spinelkörnern ist dabei in guter Übereinstimmung mit Spinelstrukturen aus Hochdruckexperimenten. Im zweiten Teil der Arbeit wird das Computermodell angewandt, um die Entwicklung der Oberflächenstruktur von Spinelkörnern unter verschiedenen Bedigungen zu eruieren. Die sogenannte ’anticrack theory of faulting’, die den katastrophalen Verlauf der Olivine→Spinel Umwandlung in olivinhaltigem Material unter differentieller Spannung durch Spannungskonzentrationen erklärt, wurde anhand des Computermodells untersucht. Der entsprechende Mechanismus konnte dabei nicht bestätigt werden. Stattdessen können Oberflächenstrukturen, die Ähnlichkeiten zu Anticracks aufweisen, durch Unreinheiten des Materials erklärt werden (Kap. 4). Eine Reihe von Simulationen wurde der Herleitung der wichtigsten Kontrollparameter der Reaktion in monomineralischem Olivin gewidmet (Kap. 5 and Kap. 6). Als wichtigste Einflüsse auf die Kornform von Spinel stellten sich dabei die Hauptnormalspannungen auf dem System sowie Heterogenitäten im Wirtsminerals und die Viskosität heraus. Im weiteren Verlauf wurden die Nukleierung und das Wachstum von Spinel in polymineralischen Mineralparagenesen untersucht (Kap. 7). Die Reaktionsgeschwindigkeit der Olivine→Spinel Umwandlung und die Entwicklung von Spinelnetzwerken und Clustern wird durch die Gegenwart nicht-reaktiver Minerale wie Granat oder Pyroxen erheblich beschleunigt. Die Bildung von Spinelnetzwerken hat das Potential, die mechanischen Eigenschaften von Mantelgestein erheblich zu beeinflussen, sei es durch die Bildung potentieller Scherzonen oder durch Gerüstbildung. Dieser Lokalisierungprozess des Spinelwachstums in Mantelgesteinen kann daher ein neues Erklärungsmuster für Tiefbeben darstellen.

Influence of microstructure variability on short crack growth behavior

Fatigue life in metals is predicted utilizing regression analysis of large sets of experimental data, thus representing the material’s macroscopic response. Furthermore, a high variability in the short crack growth (SCG) rate has been observed in polycrystalline materials, in which the evolution and distributionof local plasticity is strongly influenced by the microstructure features. The present work serves to (a) identify the relationship between the crack driving force based on the local microstructure in the proximity of the crack-tip and (b) defines the correlation between scatter observed in the SCG rates to variability in the microstructure. A crystal plasticity model based on the fast Fourier transform formulation of the elasto-viscoplastic problem (CP-EVP-FFT) is used, since the ability to account for the both elastic and plastic regime is critical in fatigue. Fatigue is governed by slip irreversibility, resulting in crack growth, which starts to occur during local elasto-plastic transition. To investigate the effects of microstructure variability on the SCG rate, sets of different microstructure realizations are constructed, in which cracks of different length are introduced to mimic quasi-static SCG in engineering alloys. From these results, the behavior of the characteristic variables of different length scale are analyzed: (i) Von Mises stress fields (ii) resolved shear stress/strain in the pertinent slip systems, and (iii) slip accumulation/irreversibilities. Through fatigue indicator parameters (FIP), scatter within the SCG rates is related to variability in the microstructural features; the results demonstrate that this relationship between microstructure variability and uncertainty in fatigue behavior is critical for accurate fatigue life prediction.

Implications of regional fault distribution and kinematics for the uplift of rift flanks around the Rwenzori Mountains, Southwestern Uganda

Das Ziel dieser Arbeit bestand in der Untersuchung der Störungsverteilung und der Störungskinematik im Zusammenhang mit der Hebung der Riftschultern des Rwenzori Gebirges.rnDas Rwenzori Gebirge befindet sich im NNE-SSWbis N-S verlaufenden Albertine Rift, des nördlichsten Segments des westlichen Armes des Ostafrikanischen Grabensystems. Das Albertine Rift besteht aus Becken unterschiedlicher Höhe, die den Lake Albert, Lake Edward, Lake George und Lake Kivu enthalten. Der Rwenzori horst trennt die Becken des Lake Albert und des Lake Edward. Es erstreckt sich 120km in N-S Richtung, sowie 40-50km in E-W Richtung, der h¨ochste Punkt befindet sich 5111 ü. NN. Diese Studie untersucht einen Abschnitt des Rifts zwischen etwa 1°N und 0°30'S Breite sowie 29°30' und 30°30' östlicher Länge ersteckt. Auch die Feldarbeit konzentrierte sich auf dieses Gebiet.rnrnHauptzweck dieser Studie bestand darin, die folgende These auf ihre Richtigkeit zu überprüfen: ’Wenn es im Verlauf der Zeit tatsächlich zu wesentlichen Änderungen in der Störungskinematik kam, dann ist die starke Hebung der Riftflanken im Bereich der Rwenzoris nicht einfach durch Bewegung entlang der Graben-Hauptst¨orungen zu erklären. Vielmehr ist sie ein Resultat des Zusammenspiels mehrerer tektonische Prozesse, die das Spannungsfeld beeinflussen und dadurch Änderungen in der Kinematik hervorrufen.’ Dadurch konzentrierte sich die Studie in erster Linie auf die Störungsanalyse.rnrnDie Kenntnis regionaler Änderungen der Extensionsrichtung ist entscheidend für das Verständnis komplexer Riftsysteme wie dem Ostafrikanischen Graben. Daher bestand der Kern der Untersuchung in der Kartierung von Störungen und der Untersuchung der Störungskinematik. Die Aufnahme strukturgeologischer Daten konzentrierte sich auf die Ugandische Seite des Rifts, und Pal¨aospannungen wurden mit Hilfe von St¨orungsdaten durch Spannungsinversion rekonstruiert.rnDie unterschiedliche Orientierung spr¨oder Strukturen im Gelände, die geometrische Analyse der geologischen Strukturen sowie die Ergebnisse von Mikrostrukturen im Dünnschliff (Kapitel 4) weisen auf verschiedene Spannungsfelder hin, die auf mögliche Änderungen der Extensionsrichtung hinweisen. Die Resultate der Spannungsinversion sprechen für Ab-, Über- und Blattverschiebungen sowie für Schrägüberschiebungen (Kapitel 5). Aus der Orientierung der Abschiebungen gehen zwei verschiedene Extensionsrichtungen hervor: im Wesentlichen NW-SE Extension in fast allen Gebieten, sowie NNE-SSW Extension im östlichen Zentralbereich.rnAus der Analyse von Blattverschiebungen ergaben sich drei unterschiedliche Spannungszustände. Zum Einen NNW-SSE bis N-S Kompression in Verbindung mit ENE-WSW bzw E-W Extension wurde für die nördlichen und die zentralen Ruwenzoris ausgemacht. Ein zweiter Spannungszustand mit WNW-ESE Kompression/NNE-SSW Extension betraf die Zentralen Rwenzoris. Ein dritter Spannungszustand mit NNW-SSE Extension betraf den östlichen Zentralteil der Rwenzoris. Schrägüberschiebungen sind durch dazu schräge Achsen charakterisiert, die für N-S bis NNW-SSE Kompression sprechen und ausschließlich im östlichen Zentralabschnitt auftreten. Überschiebungen, die hauptsächlich in den zentralen und den östlichen Rwenzoris auftreten, sprechen für NE-SW orientierten σ2-Achsen und NW-SE Extension.rnrnEs konnten drei unterschiedliche Spannungseinflüsse identifiziert werden: auf die kollisionsbedingte Bildung eines Überschiebungssystem folgte intra-kratonische Kompression und schließlich extensionskontrollierte Riftbildung. Der Übergang zwischen den beiden letztgenannten Spannungszuständen erfolgte Schrittweise und erzeugte vermutlich lokal begrenzte Transpression und Transtension. Gegenw¨artig wird die Störungskinematik der Region durch ein tensiles Spannungsregime in NW-SE bis N-S Richtung bestimmt.rnrnLokale Spannungsvariationen werden dabei hauptsächlich durch die Interferenzrndes regionalen Spannungsfeldes mit lokalen Hauptst¨orungen verursacht. Weitere Faktoren die zu lokalen Veränderungen des Spannungsfeldes führen können sind unterschiedliche Hebungsgeschwindigkeiten, Blockrotation oder die Interaktion von Riftsegmenten. Um den Einfluß präexistenter Strukturen und anderer Bedingungen auf die Hebung der Rwenzoris zu ermitteln, wurde der Riftprozeß mit Hilfe eines analogen ’Sandbox’-Modells rekonstruiert (Kapitel 6). Da sich die Moho-Diskontinuität im Bereich des Arbeitsgebietes in einer Tiefe von 25 km befindet, aktive Störungen aber nur bis zu einer Tiefe von etwa 20 km beobachtet werden können (Koehn et al. 2008), wurden nur die oberen 25 km im Modell nachbebildet. Untersucht und mit Geländebeobachtungen verglichen wurden sowohl die Reihenfolge, in der Riftsegmente entstehen, als auch die Muster, die sich im Verlauf der Nukleierung und des Wachstums dieser Riftsegmente ausbilden. Das Hauptaugenmerk wurde auf die Entwicklung der beiden Subsegmente gelegt auf denen sich der Lake Albert bzw. der Lake Edward und der Lake George befinden, sowie auf das dazwischenliegende Rwenzori Gebirge. Das Ziel der Untersuchung bestand darin herauszufinden, in welcher Weise das südwärts propagierende Lake Albert-Subsegment mit dem sinistral versetzten nordwärts propagierenden Lake Edward/Lake George-Subsegment interagiert.rnrnVon besonderem Interesse war es, in welcherWeise die Strukturen innerhalb und außerhalb der Rwenzoris durch die Interaktion dieser Riftsegmente beeinflußt wurden. rnrnDrei verschiedene Versuchsreihen mit unterschiedlichen Randbedingungen wurden miteinander verglichen. Abhängig vom vorherrschenden Deformationstyp der Transferzone wurden die Reihen als ’Scherungs-dominiert’, ’Extensions-dominiert’ und als ’Rotations-dominiert’ charakterisiert. Die Beobachtung der 3-dimensionalen strukturellen Entwicklung der Riftsegmente wurde durch die Kombination von Modell-Aufsichten mit Profilschnitten ermöglicht. Von den drei genannten Versuchsreihen entwickelte die ’Rotationsdominierten’ Reihe einen rautenförmiger Block im Tranferbereich der beiden Riftsegmente, der sich um 5−20° im Uhrzeigersinn drehte. DieserWinkel liegt im Bereich des vermuteten Rotationswinkel des Rwenzori-Blocks (5°). Zusammengefasst untersuchen die Sandbox-Versuche den Einfluss präexistenter Strukturen und der Überlappung bzw. Überschneidung zweier interagierender Riftsegmente auf die Entwicklung des Riftsystems. Sie befassen sich darüber hinaus mit der Frage, welchen Einfluss Blockbildung und -rotation auf das lokale Stressfeld haben.

Dynamic development of hydrofractures

Natürliche hydraulische Bruchbildung ist in allen Bereichen der Erdkruste ein wichtiger und stark verbreiteter Prozess. Sie beeinflusst die effektive Permeabilität und Fluidtransport auf mehreren Größenordnungen, indem sie hydraulische Konnektivität bewirkt. Der Prozess der Bruchbildung ist sowohl sehr dynamisch als auch hoch komplex. Die Dynamik stammt von der starken Wechselwirkung tektonischer und hydraulischer Prozesse, während sich die Komplexität aus der potentiellen Abhängigkeit der poroelastischen Eigenschaften von Fluiddruck und Bruchbildung ergibt. Die Bildung hydraulischer Brüche besteht aus drei Phasen: 1) Nukleation, 2) zeitabhängiges quasi-statisches Wachstum so lange der Fluiddruck die Zugfestigkeit des Gesteins übersteigt, und 3) in heterogenen Gesteinen der Einfluss von Lagen unterschiedlicher mechanischer oder sedimentärer Eigenschaften auf die Bruchausbreitung. Auch die mechanische Heterogenität, die durch präexistierende Brüche und Gesteinsdeformation erzeugt wird, hat großen Einfluß auf den Wachstumsverlauf. Die Richtung der Bruchausbreitung wird entweder durch die Verbindung von Diskontinuitäten mit geringer Zugfestigkeit im Bereich vor der Bruchfront bestimmt, oder die Bruchausbreitung kann enden, wenn der Bruch auf Diskontinuitäten mit hoher Festigkeit trifft. Durch diese Wechselwirkungen entsteht ein Kluftnetzwerk mit komplexer Geometrie, das die lokale Deformationsgeschichte und die Dynamik der unterliegenden physikalischen Prozesse reflektiert. rnrnNatürliche hydraulische Bruchbildung hat wesentliche Implikationen für akademische und kommerzielle Fragestellungen in verschiedenen Feldern der Geowissenschaften. Seit den 50er Jahren wird hydraulisches Fracturing eingesetzt, um die Permeabilität von Gas und Öllagerstätten zu erhöhen. Geländebeobachtungen, Isotopenstudien, Laborexperimente und numerische Analysen bestätigen die entscheidende Rolle des Fluiddruckgefälles in Verbindung mit poroelastischen Effekten für den lokalen Spannungszustand und für die Bedingungen, unter denen sich hydraulische Brüche bilden und ausbreiten. Die meisten numerischen hydromechanischen Modelle nehmen für die Kopplung zwischen Fluid und propagierenden Brüchen vordefinierte Bruchgeometrien mit konstantem Fluiddruck an, um das Problem rechnerisch eingrenzen zu können. Da natürliche Gesteine kaum so einfach strukturiert sind, sind diese Modelle generell nicht sonderlich effektiv in der Analyse dieses komplexen Prozesses. Insbesondere unterschätzen sie die Rückkopplung von poroelastischen Effekten und gekoppelte Fluid-Festgestein Prozesse, d.h. die Entwicklung des Porendrucks in Abhängigkeit vom Gesteinsversagen und umgekehrt.rnrnIn dieser Arbeit wird ein zweidimensionales gekoppeltes poro-elasto-plastisches Computer-Model für die qualitative und zum Teil auch quantitativ Analyse der Rolle lokalisierter oder homogen verteilter Fluiddrücke auf die dynamische Ausbreitung von hydraulischen Brüchen und die zeitgleiche Evolution der effektiven Permeabilität entwickelt. Das Programm ist rechnerisch effizient, indem es die Fluiddynamik mittels einer Druckdiffusions-Gleichung nach Darcy ohne redundante Komponenten beschreibt. Es berücksichtigt auch die Biot-Kompressibilität poröser Gesteine, die implementiert wurde um die Kontrollparameter in der Mechanik hydraulischer Bruchbildung in verschiedenen geologischen Szenarien mit homogenen und heterogenen Sedimentären Abfolgen zu bestimmen. Als Resultat ergibt sich, dass der Fluiddruck-Gradient in geschlossenen Systemen lokal zu Störungen des homogenen Spannungsfeldes führen. Abhängig von den Randbedingungen können sich diese Störungen eine Neuausrichtung der Bruchausbreitung zur Folge haben kann. Durch den Effekt auf den lokalen Spannungszustand können hohe Druckgradienten auch schichtparallele Bruchbildung oder Schlupf in nicht-entwässerten heterogenen Medien erzeugen. Ein Beispiel von besonderer Bedeutung ist die Evolution von Akkretionskeilen, wo die große Dynamik der tektonischen Aktivität zusammen mit extremen Porendrücken lokal starke Störungen des Spannungsfeldes erzeugt, die eine hoch-komplexe strukturelle Entwicklung inklusive vertikaler und horizontaler hydraulischer Bruch-Netzwerke bewirkt. Die Transport-Eigenschaften der Gesteine werden stark durch die Dynamik in der Entwicklung lokaler Permeabilitäten durch Dehnungsbrüche und Störungen bestimmt. Möglicherweise besteht ein enger Zusammenhang zwischen der Bildung von Grabenstrukturen und großmaßstäblicher Fluid-Migration. rnrnDie Konsistenz zwischen den Resultaten der Simulationen und vorhergehender experimenteller Untersuchungen deutet darauf hin, dass das beschriebene numerische Verfahren zur qualitativen Analyse hydraulischer Brüche gut geeignet ist. Das Schema hat auch Nachteile wenn es um die quantitative Analyse des Fluidflusses durch induzierte Bruchflächen in deformierten Gesteinen geht. Es empfiehlt sich zudem, das vorgestellte numerische Schema um die Kopplung mit thermo-chemischen Prozessen zu erweitern, um dynamische Probleme im Zusammenhang mit dem Wachstum von Kluftfüllungen in hydraulischen Brüchen zu untersuchen.

Magma-Driven Multiple Dike Propagation and Fracture Toughness of Crustal Rocks

Dike swarms consisting of tens to thousands of subparallel dikes are commonly observed at Earth's surface, raising the possibility of simultaneous propagation of two or more dikes at various stages of a swarm's development. The behavior of multiple propagating dikes differs from that of a single dike owing to the interacting stress fields associated with each dike. We analyze an array of parallel, periodically spaced dikes that grow simultaneously from an overpressured source into a semi-infinite, linear elastic host rock. To simplify the analysis, we assume steady state (constant velocity) magma flow and dike propagation. We use a perturbation method to analyze the coupled, nonlinear problem of multiple dike propagation and magma transport. The stress intensity factor at the dike tips and the opening displacements of the dike surfaces are calculated. The numerical results show that dike spacing has a profound effect on the behavior of dike propagation. The stress intensity factors at the tips of parallel dikes decrease with a decrease in dike spacing and are significantly smaller than that for a single dike with the same length. The reduced stress intensity factor indicates that, compared to a single dike, propagation of parallel dikes is more likely to be arrested under otherwise the same conditions. It also implies that fracture toughness of the host rock in a high confining pressure environment may not be as high as inferred from the propagation of a single dike. Our numerical results suggest fracture toughness values on the order of 100 MPa root m. The opening displacements for parallel dikes are smaller than that for a single dike, which results in higher magma pressure gradients in parallel dikes and lower flux of magma transport.

The role of residual stresses in the performance and durability of prestressing steel wires

Residual stresses developed during wire drawing influence the mechanical behavior and durability of steel wires used for prestressed concrete structures, particularly the shape of the stress–strain curve, stress relaxation losses, fatigue life, and environmental cracking susceptibility. The availability of general purpose finite element analysis tools and powerful diffraction techniques (X-rays and neutrons) has made it possible to predict and measure accurately residual stress fields in cold-drawn steel wires. Work carried out in this field in the past decade, shows the prospects and limitations of residual stress measurement, how the stress relaxation losses and environmentally-assisted cracking are correlated with the profile of residual stresses and how the performance of steel wires can be improved by modifying such a stress profile

Laser Shock Micro-Forming as an Emerging Technique for Microsystems Shaping and Adjustment

Continuous and long-pulse lasers have been extensively used for the forming of metal sheets for macroscopic mechanical applications. However, for the manufacturing of Micro-Mechanical Systems (MMS), the applicability of such type of lasers is limited by the long relaxation time of the thermal fields responsible for the forming phenomena. As a consequence, the final sheet deformation state is attained only after a certain time, what makes the generated internal residual stress fields more dependent on ambient conditions and might difficult the subsequent assembly process. The use of short pulse (ns) lasers provides a suitable parameter matching for the laser forming of an important range of sheet components used in MEMS. The short interaction time scale required for the predominantly mechanic (shock) induction of deformation residual stresses allows the successful processing of components in a medium range of miniaturization (particularly important according to its frequent use in such systems). In the present paper, Laser Shock Micro-Forming (LSμF) is presented as an emerging technique for Microsystems parts shaping and adjustment along with a discussion on its physical foundations and practical implementation possibilities developed by the authors.

Caracterización dinámica del glaciar Hurd combinando observaciones de campo y simulaciones numéricas

El objetivo fundamental de esta tesis es la caracterización de la morfología y del estado de deformaciones y tensiones del Glaciar Hurd (Isla Livingston, Archipiélago de las Shetland del Sur, Antártida), mediante una combinación de observaciones de campo, registros de georradar y simulaciones numéricas. La morfología y el estado de deformaciones y tensiones actuales son la expresión de la evolución dinámica del glaciar desde tiempos pretéritos hasta recientes, y su análisis nos dará las pautas con las cuales ser capaces de predecir, con el apoyo de las simulaciones numéricas, su evolución futura. El primer aspecto que se aborda es el estudio de las estructuras que pueden observarse en la superficie del glaciar. Describimos las distintas técnicas utilizadas (medidas de campo, fotointerpretación de ortofotografías, análisis geoquímico de cenizas volcánicas, etc.) y presentamos el análisis e interpretación de los resultados morfo-estructurales, así como la correlación, mediante análisis geoquímicos (fluorescencia de rayos X), entre las cenizas volcánicas que extruyen en la superficie del Glaciar Hurd y las del volcán Decepción, origen de las cenizas. Esto nos permite realizar una datación de las mismas como Tefra 1, correspondiente a la erupción de 1970, Tefra 2, correspondiente a las erupciones pre-1829, y el conjunto Tefra 3, asociado a las erupciones más antiguas. En segundo lugar nos ocupamos de las estructuras presentes en el interior del glaciar, cuya herramienta de detección fundamental es el georradar. Identificadas estas estructuras internas, las vinculamos con las observadas en la superficie del glaciar. También hemos estudiado la estructura hidrotérmica del glaciar, obteniendo una serie de evidencias adicionales de su carácter politérmico. Entre éstas se contaban, hasta ahora, las basadas en el valor del parámetro de rigidez de la relación constitutiva del hielo determinada por ajuste de modelos dinámicos y observaciones realizados por Otero (2008) y las basadas en las velocidades de las ondas de radar en el hielo determinadas con el método de punto medio común por Navarro y otros (2009). Las evidencias adicionales que aportamos en esta tesis son: 1) la presencia de estructuras típicas de régimen compresivo en la zona terminal del glaciar y de cizalla en los márgenes del mismo, y 2) la presencia de un estrato superficial de hielo frío (por encima de otro templado) en la zona de ablación de los tres lóbulos del Glaciar Hurd –Sally Rocks, Argentina y Las Palmas–, que alcanzan espesores de 70, 50 y 40 m, respectivamente. Este estrato de hielo frío está probablemente congelado al lecho subglaciar en la zona terminal (Molina y otros, 2007; esta tesis). Por último, nos ocupamos de la simulación numérica de la dinámica glaciar. Presentamos el modelo físico-matemático utilizado, discutimos sus condiciones de contorno y cómo éstas se miden en los trabajos de campo, y describimos el procedimiento de resolución numérica del sistema de ecuaciones parciales del modelo. Presentamos los resultados para los campos de velocidades, deformaciones y tensiones, comparando estos resultados con las estructuras observadas. También incluimos el análisis de las elipses de deformación acumulativa, que proporcionan información sobre las estructuras a las que puede dar lugar la evolución del estado de deformaciones y tensiones a las que se ve sometido el hielo según avanza, lentamente, desde la cabecera hasta la zona terminal del glaciar, con tiempos de tránsito de hasta 1.250 años, recogiendo así la historia de deformaciones en el glaciar. Concluyendo, ponemos de manifiesto en esta tesis que las medidas de campo de las estructuras y niveles de cenizas, las medidas de georradar y las simulaciones numéricas de la dinámica glaciar, realizadas de forma combinada, permiten caracterizar el régimen actual de velocidades, deformaciones y tensiones del glaciar, entender su evolución en el pasado y predecir su evolución futura. ABSTRACT The main objective of this thesis is to characterize the morphology and the state of strains and stresses of Hurd Glacier (Livingston Island, South Shetland Islands archipelago, Antarctica) through a combination of field observations, ground-penetrating radar measurements and numerical simulations. The morphology and the current state of strain and stresses are the expression of the dynamic evolution of the glacier from the past to recent times, and their analysis gives us the guidelines to be able to predict, with the support of numerical simulations, its future evolution. The first subject addressed is the study of structures that can be observed on the glacier surface. We describe the different techniques used (field measurements, photointerpretation of orthophotos, geochemical analysis of volcanic ashes, etc.) and we present the analysis and interpretation of the morpho-structural results, as well as the correlation with geochemical analysis (XRF) between the volcanic ashes extruded to the surface of Hurd Glacier and those of Deception Island volcano, from which the ashes originate. This allows us dating the ashes as Tephra 1, corresponding to the 1970 eruption, Tephra 2, corresponding to the pre-1829 eruptions, and the Tephra 3 group, associated with older eruptions. Secondly we focus on the study of the structures present within the glacier, which are detected with the help of ground-penetrating radar. Once identified, we link these internal structures with those observed on the glacier surface. We also study the hydrothermal structure of the glacier, getting a series of additional evidences of its polythermal structure. Among the evidences available so far, we can mention those based on the value of the stiffness parameter of the constitutive relation of ice, determined by fitting dynamic models to observations, as done by Otero (2008), and those based on the velocity of propagation of the radar waves through the glacier ice, measured using the common midpoint method, as done by Navarro et al. (2009). The additional evidences that we provide in this thesis are: 1) the presence of structures typical of compressive regime in the terminal zone of the glacier, together with shear at its margins, and 2) the presence of a surface layer of cold ice (overlying a layer of temperate ice) in the ablation zone of the three lobes of Hurd Glacier –Sally Rocks, Argentina and Las Palmas–, reaching thicknesses of 70, 50 and 40 m, respectively. This cold layer is probably frozen to the subglacial bed in the terminal zone (Molina and others 2007; this thesis). Finally, we deal with the numerical simulation of glacier dynamics. We present the physical-mathematical model, discuss its boundary conditions and how they are measured in the field work, and describe the method of numerical solution of the model’s partial differential equations. We present the results for the velocity, strain and stress fields, comparing these results with the observed structures. We also include an analysis of the ellipses of cumulative deformation, which provide information about the structures that can result from the evolution of the strain and stress regime of the glacier ice as it moves slowly from the head to the snout of the glacier, with transit times of up to 1,250 years, so picking the history of deformation of the glacier. Summarizing, we show in this thesis that field measurements of structures and ash layers, ground-penetrating radar measurements and numerical simulations of glacier dynamics, performed in combination, allow us to characterize the current regime of velocities, strains and stresses of the glacier, to understand its past evolution and to predict its future evolution.

Mining-associated Seismicity in Kolar Gold Mines: Some Case Studies using Multi-fractals

The occurrence of rockbursts was quite common during active mining periods in the Champion reef mines of Kolar gold fields, India. Among the major rockbursts, the ‘area-rockbursts’ were unique both in regard to their spatio-temporal distribution and the extent of damage caused to the mine workings. A detailed study of the spatial clustering of 3 major area-rockbursts (ARB) was carried out using a multi-fractal technique involving generalized correlation integral functions. The spatial distribution analysis of all 3 area-rockbursts showed that they are heterogeneous. The degree of heterogeneity (D2 – D∞) in the cases of ARB-I, II and III were found to be 0.52, 0.37 and 0.41 respectively. These differences in fractal structure indicate that the ARBs of the present study were fully controlled by different heterogeneous stress fields associated with different mining and geological conditions. The present study clearly showed the advantages of the application of multi-fractals to seismic data and to characterise, analyse and examine the area-rockbursts and their causative factors in the Kolar gold mines.

On the numerical solution of a Cauchy problem in an elastostatic half-plane with a bounded inclusion

We propose an iterative procedure for the inverse problem of determining the displacement vector on the boundary of a bounded planar inclusion given the displacement and stress fields on an infinite (planar) line-segment. At each iteration step mixed boundary value problems in an elastostatic half-plane containing the bounded inclusion are solved. For efficient numerical implementation of the procedure these mixed problems are reduced to integral equations over the bounded inclusion. Well-posedness and numerical solution of these boundary integral equations are presented, and a proof of convergence of the procedure for the inverse problem to the original solution is given. Numerical investigations are presented both for the direct and inverse problems, and these results show in particular that the displacement vector on the boundary of the inclusion can be found in an accurate and stable way with small computational cost.