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.

Contribución al análisis eficiente y a la mejora de prestaciones de antenas reflectarray

El diseño de una antena reflectarray bajo la aproximación de periodicidad local requiere la determinación de la matriz de scattering de estructuras multicapa con metalizaciones periódicas para un gran número de geometrías diferentes. Por lo tanto, a la hora de diseñar antenas reflectarray en tiempos de CPU razonables, se necesitan herramientas númericas rápidas y precisas para el análisis de las estructuras periódicas multicapa. En esta tesis se aplica la versión Galerkin del Método de los Momentos (MDM) en el dominio espectral al análisis de las estructuras periódicas multicapa necesarias para el diseño de antenas reflectarray basadas en parches apilados o en dipolos paralelos coplanares. Desgraciadamente, la aplicación de este método numérico involucra el cálculo de series dobles infinitas, y mientras que algunas series convergen muy rápidamente, otras lo hacen muy lentamente. Para aliviar este problema, en esta tesis se propone un novedoso MDM espectral-espacial para el análisis de las estructuras periódicas multicapa, en el cual las series rápidamente convergente se calculan en el dominio espectral, y las series lentamente convergentes se calculan en el dominio espacial mediante una versión mejorada de la formulación de ecuaciones integrales de potenciales mixtos (EIPM) del MDM. Esta versión mejorada se basa en la interpolación eficiente de las funciones de Green multicapa periódicas, y en el cálculo eficiente de las integrales singulares que conducen a los elementos de la matriz del MDM. El novedoso método híbrido espectral-espacial y el tradicional MDM en el dominio espectral se han comparado en el caso de los elementos reflectarray basado en parches apilados. Las simulaciones numéricas han demostrado que el tiempo de CPU requerido por el MDM híbrido es alrededor de unas 60 veces más rápido que el requerido por el tradicional MDM en el dominio espectral para una precisión de dos cifras significativas. El uso combinado de elementos reflectarray con parches apilados y técnicas de optimización de banda ancha ha hecho posible diseñar antenas reflectarray de transmisiónrecepción (Tx-Rx) y polarización dual para aplicaciones de espacio con requisitos muy restrictivos. Desgraciadamente, el nivel de aislamiento entre las polarizaciones ortogonales en antenas DBS (típicamente 30 dB) es demasiado exigente para ser conseguido con las antenas basadas en parches apilados. Además, el uso de elementos reflectarray con parches apilados conlleva procesos de fabricación complejos y costosos. En esta tesis se investigan varias configuraciones de elementos reflectarray basadas en conjuntos de dipolos paralelos con el fin de superar los inconvenientes que presenta el elemento basado en parches apilados. Primeramente, se propone un elemento consistente en dos conjuntos apilados ortogonales de tres dipolos paralelos para aplicaciones de polarización dual. Se ha diseñado, fabricado y medido una antena basada en este elemento, y los resultados obtenidos para la antena indican que tiene unas altas prestaciones en términos de ancho de banda, pérdidas, eficiencia y discriminación contrapolar, además de requerir un proceso de fabricación mucho más sencillo que el de las antenas basadas en tres parches apilados. Desgraciadamente, el elemento basado en dos conjuntos ortogonales de tres dipolos paralelos no proporciona suficientes grados de libertad para diseñar antenas reflectarray de transmisión-recepción (Tx-Rx) de polarización dual para aplicaciones de espacio por medio de técnicas de optimización de banda ancha. Por este motivo, en la tesis se propone un nuevo elemento reflectarray que proporciona los grados de libertad suficientes para cada polarización. El nuevo elemento consiste en dos conjuntos ortogonales de cuatro dipolos paralelos. Cada conjunto contiene tres dipolos coplanares y un dipolo apilado. Para poder acomodar los dos conjuntos de dipolos en una sola celda de la antena reflectarray, el conjunto de dipolos de una polarización está desplazado medio período con respecto al conjunto de dipolos de la otra polarización. Este hecho permite usar solamente dos niveles de metalización para cada elemento de la antena, lo cual simplifica el proceso de fabricación como en el caso del elemento basados en dos conjuntos de tres dipolos paralelos coplanares. Una antena de doble polarización y doble banda (Tx-Rx) basada en el nuevo elemento ha sido diseñada, fabricada y medida. La antena muestra muy buenas presentaciones en las dos bandas de frecuencia con muy bajos niveles de polarización cruzada. Simulaciones numéricas presentadas en la tesis muestran que estos bajos de niveles de polarización cruzada se pueden reducir todavía más si se llevan a cabo pequeñas rotaciones de los dos conjuntos de dipolos asociados a cada polarización. ABSTRACT The design of a reflectarray antenna under the local periodicity assumption requires the determination of the scattering matrix of a multilayered structure with periodic metallizations for quite a large number of different geometries. Therefore, in order to design reflectarray antennas within reasonable CPU times, fast and accurate numerical tools for the analysis of the periodic multilayered structures are required. In this thesis the Galerkin’s version of the Method of Moments (MoM) in the spectral domain is applied to the analysis of the periodic multilayered structures involved in the design of reflectarray antennas made of either stacked patches or coplanar parallel dipoles. Unfortunately, this numerical approach involves the computation of double infinite summations, and whereas some of these summations converge very fast, some others converge very slowly. In order to alleviate this problem, in the thesis a novel hybrid MoM spectral-spatial domain approach is proposed for the analysis of the periodic multilayered structures. In the novel approach, whereas the fast convergent summations are computed in the spectral domain, the slowly convergent summations are computed by means of an enhanced Mixed Potential Integral Equation (MPIE) formulation of the MoM in the spatial domain. This enhanced formulation is based on the efficient interpolation of the multilayered periodic Green’s functions, and on the efficient computation of the singular integrals leading to the MoM matrix entries. The novel hybrid spectral-spatial MoM code and the standard spectral domain MoM code have both been compared in the case of reflectarray elements based on multilayered stacked patches. Numerical simulations have shown that the CPU time required by the hybrid MoM is around 60 times smaller than that required by the standard spectral MoM for an accuracy of two significant figures. The combined use of reflectarray elements based on stacked patches and wideband optimization techniques has made it possible to design dual polarization transmit-receive (Tx-Rx) reflectarrays for space applications with stringent requirements. Unfortunately, the required level of isolation between orthogonal polarizations in DBS antennas (typically 30 dB) is hard to achieve with the configuration of stacked patches. Moreover, the use of reflectarrays based on stacked patches leads to a complex and expensive manufacturing process. In this thesis, we investigate several configurations of reflectarray elements based on sets of parallel dipoles that try to overcome the drawbacks introduced by the element based on stacked patches. First, an element based on two stacked orthogonal sets of three coplanar parallel dipoles is proposed for dual polarization applications. An antenna made of this element has been designed, manufactured and measured, and the results obtained show that the antenna presents a high performance in terms of bandwidth, losses, efficiency and cross-polarization discrimination, while the manufacturing process is cheaper and simpler than that of the antennas made of stacked patches. Unfortunately, the element based on two sets of three coplanar parallel dipoles does not provide enough degrees of freedom to design dual-polarization transmit-receive (Tx-Rx) reflectarray antennas for space applications by means of wideband optimization techniques. For this reason, in the thesis a new reflectarray element is proposed which does provide enough degrees of freedom for each polarization. This new element consists of two orthogonal sets of four parallel dipoles, each set containing three coplanar dipoles and one stacked dipole. In order to accommodate the two sets of dipoles in each reflectarray cell, the set of dipoles for one polarization is shifted half a period from the set of dipoles for the other polarization. This also makes it possible to use only two levels of metallization for the reflectarray element, which simplifies the manufacturing process as in the case of the reflectarray element based on two sets of three parallel dipoles. A dual polarization dual-band (Tx-Rx) reflectarray antenna based on the new element has been designed, manufactured and measured. The antenna shows a very good performance in both Tx and Rx frequency bands with very low levels of cross-polarization. Numerical simulations carried out in the thesis have shown that the low levels of cross-polarization can be even made smaller by means of small rotations of the two sets of dipoles associated to each polarization.

Comparación de un nuevo método de aceleración de análisis dinámicos con métodos de reducción de modelos

La dinámica estructural estudia la respuesta de una estructura ante cargas o fenómenos variables en el tiempo. En muchos casos, estos fenómenos requieren realizar análisis paramétricos de la estructura considerando una gran cantidad de configuraciones de diseño o modificaciones de la estructura. Estos cambios, ya sean en fases iniciales de diseño o en fases posteriores de rediseño, alteran las propiedades físicas de la estructura y por tanto del modelo empleado para su análisis, cuyo comportamiento dinámico se modifica en consecuencia. Un caso de estudio de este tipo de modificaciones es la supervisión de la integridad estructural, que trata de identificar la presencia de daño estructural y prever el comportamiento de la estructura tras ese daño, como puede ser la variación del comportamiento dinámico de la estructura debida a una delaminación, la aparición o crecimiento de grieta, la debida a la pérdida de pala sufrida por el motor de un avión en vuelo, o la respuesta dinámica de construcciones civiles como puentes o edificios frente a cargas sísmicas. Si a la complejidad de los análisis dinámicos requeridos en el caso de grandes estructuras se añade la variación de determinados parámetros en busca de una respuesta dinámica determinada o para simular la presencia de daños, resulta necesario la búsqueda de medios de simplificación o aceleración del conjunto de análisis que de otra forma parecen inabordables tanto desde el punto de vista del tiempo de computación, como de la capacidad requerida de almacenamiento y manejo de grandes volúmenes de archivos de datos. En la presente tesis doctoral se han revisado los métodos de reducción de elementos .nitos más habituales para análisis dinámicos de grandes estructuras. Se han comparado los resultados de casos de estudio de los métodos más aptos, para el tipo de estructuras y modificaciones descritas, con los resultados de aplicación de un método de reducción reciente. Entre los primeros están el método de condensación estática de Guyan extendido al caso con amortiguamiento no proporcional y posteriores implementaciones de condensaciones dinámicas en diferentes espacios vectoriales. El método de reducción recientemente presentado se denomina en esta tesis DACMAM (Dynamic Analysis in Complex Modal space Acceleration Method), y consiste en el análisis simplificado que proporciona una solución para la respuesta dinámica de una estructura, calculada en el espacio modal complejo y que admite modificaciones estructurales. El método DACMAM permite seleccionar un número reducido de grados de libertad significativos para la dinámica del fenómeno que se quiere estudiar como son los puntos de aplicación de la carga, localizaciones de los cambios estructurales o puntos donde se quiera conocer la respuesta, de forma que al implementar las modificaciones estructurales, se ejecutan los análisis necesarios sólo de dichos grados de libertad sin pérdida de precisión. El método permite considerar alteraciones de masa, rigidez, amortiguamiento y la adición de nuevos grados de libertad. Teniendo en cuenta la dimensión del conjunto de ecuaciones a resolver, la parametrización de los análisis no sólo resulta posible, sino que es también manejable y controlable gracias a la sencilla implementación del procedimiento para los códigos habituales de cálculo mediante elementos .nitos. En el presente trabajo se muestra la bondad y eficiencia del método en comparación con algunos de los métodos de reducción de grandes modelos estructurales, verificando las diferencias entre sí de los resultados obtenidos y respecto a la respuesta real de la estructura, y comprobando los medios empleados en ellos tanto en tiempo de ejecución como en tamaño de ficheros electrónicos. La influencia de los diversos factores que se tienen en cuenta permite identificar los límites y capacidades de aplicación del método y su exhaustiva comparación con los otros procedimientos. ABSTRACT Structural dynamics studies the response of a structure under loads or phenomena which vary over time. In many cases, these phenomena require the use of parametric analyses taking into consideration several design configurations or modifications of the structure. This is a typical need in an engineering o¢ ce, no matter the structural design is in early or final stages. These changes modify the physical properties of the structure, and therefore, the finite element model to analyse it. A case study, that exempli.es this circumstance, is the structural health monitoring to predict the variation of the dynamical behaviour after damage, such as a delaminated structure, a crack onset or growth, an aircraft that suffers a blade loss event or civil structures (buildings or bridges) under seismic loads. Not only large structures require complex analyses to appropriately acquire an accurate solution, but also the variation of certain parameters. There is a need to simplify the analytical process, in order to bring CPU time, data .les, management of solutions to a reasonable size. In the current doctoral thesis, the most common finite element reduction methods for large structures are reviewed. Results of case studies are compared between a recently proposed method, herein named DACMAM (Dynamic Analysis in Complex Modal space Acceleration Method), and different condensation methods, namely static or Guyan condensation and dynamic condensation in different vectorial spaces. All these methods are suitable for considering non-classical damping. The reduction method DACMAM consist of a structural modification in the complex modal domain which provides a dynamic response solution for the reduced models. This process allows the selection of a few degrees of freedom that are relevant for the dynamic response of the system. These d.o.f. are the load application points, relevant structural points or points in which it is important to know the response. Consequently, an analysis with structural modifications implies only the calculation of the dynamic response of the selected degrees of freedom added, but with no loss of information. Therefore, mass, stiffness or damping modifications are easily considered as well as new degrees of freedom. Taking into account the size of the equations to be solved, the parameterization of the dynamic solutions is not only possible, but also manageable and controllable due to the easy implementation of the procedure in the standard finite element solvers. In this thesis, the proposed reduction method for large structural models is compared with other published model order reduction methods. The comparison shows and underlines the efficiency of the new method, and veri.es the differences in the response when compared with the response of the full model. The CPU time, the data files and the scope of the parameterization are also addressed.

Método computacional para la aceleración de análisis paramétricos de modificaciones locales en estructuras complejas sometidas a cargas dinámicas

Dentro del análisis y diseño estructural surgen frecuentemente problemas de ingeniería donde se requiere el análisis dinámico de grandes modelos de elementos finitos que llegan a millones de grados de libertad y emplean volúmenes de datos de gran tamaño. La complejidad y dimensión de los análisis se dispara cuando se requiere realizar análisis paramétricos. Este problema se ha abordado tradicionalmente desde diversas perspectivas: en primer lugar, aumentando la capacidad tanto de cálculo como de memoria de los sistemas informáticos empleados en los análisis. En segundo lugar, se pueden simplificar los análisis paramétricos reduciendo su número o detalle y por último se puede recurrir a métodos complementarios a los elementos .nitos para la reducción de sus variables y la simplificación de su ejecución manteniendo los resultados obtenidos próximos al comportamiento real de la estructura. Se propone el empleo de un método de reducción que encaja en la tercera de las opciones y consiste en un análisis simplificado que proporciona una solución para la respuesta dinámica de una estructura en el subespacio modal complejo empleando un volumen de datos muy reducido. De este modo se pueden realizar análisis paramétricos variando múltiples parámetros, para obtener una solución muy aproximada al objetivo buscado. Se propone no solo la variación de propiedades locales de masa, rigidez y amortiguamiento sino la adición de grados de libertad a la estructura original para el cálculo de la respuesta tanto permanente como transitoria. Adicionalmente, su facilidad de implementación permite un control exhaustivo sobre las variables del problema y la implementación de mejoras como diferentes formas de obtención de los autovalores o la eliminación de las limitaciones de amortiguamiento en la estructura original. El objetivo del método se puede considerar similar a los que se obtienen al aplicar el método de Guyan u otras técnicas de reducción de modelos empleados en dinámica estructural. Sin embargo, aunque el método permite ser empleado en conjunción con otros para obtener las ventajas de ambos, el presente procedimiento no realiza la condensación del sistema de ecuaciones, sino que emplea la información del sistema de ecuaciones completa estudiando tan solo la respuesta en las variables apropiadas de los puntos de interés para el analista. Dicho interés puede surgir de la necesidad de obtener la respuesta de las grandes estructuras en unos puntos determinados o de la necesidad de modificar la estructura en zonas determinadas para cambiar su comportamiento (respuesta en aceleraciones, velocidades o desplazamientos) ante cargas dinámicas. Por lo tanto, el procedimiento está particularmente indicado para la selección del valor óptimo de varios parámetros en grandes estructuras (del orden de cientos de miles de modos) como pueden ser la localización de elementos introducidos, rigideces, masas o valores de amortiguamientos viscosos en estudios previos en los que diversas soluciones son planteadas y optimizadas, y que en el caso de grandes estructuras, pueden conllevar un número de simulaciones extremadamente elevado para alcanzar la solución óptima. Tras plantear las herramientas necesarias y desarrollar el procedimiento, se propone un caso de estudio para su aplicación al modelo de elementos .nitos del UAV MILANO desarrollado por el Instituto Nacional de Técnica Aeroespacial. A dicha estructura se le imponen ciertos requisitos al incorporar un equipo en aceleraciones en punta de ala izquierda y desplazamientos en punta de ala derecha en presencia de la sustentación producida por una ráfaga continua de viento de forma sinusoidal. La modificación propuesta consiste en la adición de un equipo en la punta de ala izquierda, bien mediante un anclaje rígido, bien unido mediante un sistema de reducción de la respuesta dinámica con propiedades de masa, rigidez y amortiguamiento variables. El estudio de los resultados obtenidos permite determinar la optimización de los parámetros del sistema de atenuación por medio de múltiples análisis dinámicos de forma que se cumplan de la mejor forma posible los requisitos impuestos con la modificación. Se comparan los resultados con los obtenidos mediante el uso de un programa comercial de análisis por el método de los elementos .nitos lográndose soluciones muy aproximadas entre el modelo completo y el reducido. La influencia de diversos factores como son el amortiguamiento modal de la estructura original, el número de modos retenidos en la truncatura o la precisión proporcionada por el barrido en frecuencia se analiza en detalle para, por último, señalar la eficiencia en términos de tiempo y volumen de datos de computación que ofrece el método propuesto en comparación con otras aproximaciones. Por lo tanto, puede concluirse que el método propuesto se considera una opción útil y eficiente para el análisis paramétrico de modificaciones locales en grandes estructuras. ABSTRACT When developing structural design and analysis some projects require dynamic analysis of large finite element models with millions of degrees of freedom which use large size data .les. The analysis complexity and size grow if a parametric analysis is required. This problem has been approached traditionally in several ways: one way is increasing the power and the storage capacity of computer systems involved in the analysis. Other obvious way is reducing the total amount of analyses and their details. Finally, complementary methods to finite element analysis can also be employed in order to limit the number of variables and to reduce the execution time keeping the results as close as possible to the actual behaviour of the structure. Following this third option, we propose a model reduction method that is based in a simplified analysis that supplies a solution for the dynamic response of the structure in the complex modal space using few data. Thereby, parametric analysis can be done varying multiple parameters so as to obtain a solution which complies with the desired objetive. We propose not only mass, stiffness and damping variations, but also addition of degrees of freedom to the original structure in order to calculate the transient and steady-state response. Additionally, the simple implementation of the procedure allows an in-depth control of the problem variables. Furthermore, improvements such as different ways to obtain eigenvectors or to remove damping limitations of the original structure are also possible. The purpose of the procedure is similar to that of using the Guyan or similar model order reduction techniques. However, in our method we do not perform a true model order reduction in the traditional sense. Furthermore, additional gains, which we do not explore herein, can be obtained through the combination of this method with traditional model-order reduction procedures. In our procedure we use the information of the whole system of equations is used but only those nodes of interest to the analyst are processed. That interest comes from the need to obtain the response of the structure at specific locations or from the need to modify the structure at some suitable positions in order to change its behaviour (acceleration, velocity or displacement response) under dynamic loads. Therefore, the procedure is particularly suitable for parametric optimization in large structures with >100000 normal modes such as position of new elements, stiffness, mass and viscous dampings in previous studies where different solutions are devised and optimized, and in the case of large structures, can carry an extremely high number of simulations to get the optimum solution. After the introduction of the required tools and the development of the procedure, a study case is proposed with use the finite element model (FEM) of the MILANO UAV developed by Instituto Nacional de Técnica Aeroespacial. Due to an equipment addition, certain acceleration and displacement requirements on left wing tip and right wing tip, respectively, are imposed. The structure is under a continuous sinusoidal wind gust which produces lift. The proposed modification consists of the addition of an equipment in left wing tip clamped through a rigid attachment or through a dynamic response reduction system with variable properties of mass, stiffness and damping. The analysis of the obtained results allows us to determine the optimized parametric by means of multiple dynamic analyses in a way such that the imposed requirements have been accomplished in the best possible way. The results achieved are compared with results from a commercial finite element analysis software, showing a good correlation. Influence of several factors such as the modal damping of the original structure, the number of modes kept in the modal truncation or the precission given by the frequency sweep is analyzed. Finally, the efficiency of the proposed method is addressed in tems of computational time and data size compared with other approaches. From the analyses performed, we can conclude that the proposed method is a useful and efficient option to perform parametric analysis of possible local modifications in large structures.

Análisis paramétrico determinista y aleatorio de problemas dinámicos en estructuras aeroespaciales

Los fenómenos dinámicos pueden poner en peligro la integridad de estructuras aeroespaciales y los ingenieros han desarrollado diferentes estrategias para analizarlos. Uno de los grandes problemas que se plantean en la ingeniería es cómo atacar un problema dinámico estructural. En la presente tesis se plantean distintos fenómenos dinámicos y se proponen métodos para estimar o simular sus comportamientos mediante un análisis paramétrico determinista y aleatorio del problema. Se han propuesto desde problemas sencillos con pocos grados de libertad que sirven para analizar las diferentes estrategias y herramientas a utilizar, hasta fenómenos muy dinámicos que contienen comportamientos no lineales, daños y fallos. Los primeros ejemplos de investigación planteados cubren una amplia gama de los fenómenos dinámicos, como el análisis de vibraciones de elementos másicos, incluyendo impactos y contactos, y el análisis de una viga con carga armónica aplicada a la que también se le añaden parámetros aleatorios que pueden responder a un desconocimiento o incertidumbre de los mismos. Durante el desarrollo de la tesis se introducen conceptos y se aplican distintos métodos, como el método de elementos finitos (FEM) en el que se analiza su resolución tanto por esquemas implícitos como explícitos, y métodos de análisis paramétricos y estadísticos mediante la técnica de Monte Carlo. Más adelante, una vez ya planteadas las herramientas y estrategias de análisis, se estudian fenómenos más complejos, como el impacto a baja velocidad en materiales compuestos, en el que se busca evaluar la resistencia residual y, por lo tanto, la tolerancia al daño de la estructura. Se trata de un suceso que puede producirse por la caída de herramienta, granizo o restos en la pista de aterrizaje. Otro de los fenómenos analizados también se da en un aeropuerto y se trata de la colisión con un dispositivo frangible, el cual tiene que romperse bajo ciertas cargas y, sin embargo, soportar otras. Finalmente, se aplica toda la metodología planteada en simular y analizar un posible incidente en vuelo, el fenómeno de la pérdida de pala de un turbohélice. Se trata de un suceso muy particular en el que la estructura tiene que soportar unas cargas complejas y excepcionales con las que la aeronave debe ser capaz de completar con éxito el vuelo. El análisis incluye comportamientos no lineales, daños, y varios tipos de fallos, y en el que se trata de identificar los parámetros clave en la secuencia del fallo. El suceso se analiza mediante análisis estructurales deterministas más habituales y también mediante otras técnicas como el método de Monte Carlo con el que se logran estudiar distintas incertidumbres en los parámetros con variables aleatorias. Se estudian, entre otros, el tamaño de pala perdida, la velocidad y el momento en el que se produce la rotura, y la rigidez y resistencia de los apoyos del motor. Se tiene en cuenta incluso el amortiguamiento estructural del sistema. Las distintas estrategias de análisis permiten obtener unos resultados valiosos e interesantes que han sido objeto de distintas publicaciones. ABSTRACT Dynamic phenomena can endanger the integrity of aerospace structures and, consequently, engineers have developed different strategies to analyze them. One of the major engineering problems is how to deal with the structural dynamics. In this thesis, different dynamic phenomena are introduced and several methods are proposed to estimate or simulate their behaviors. The analysis is considered through parametric, deterministic and statistical methods. The suggested issues are from simple problems with few degrees of freedom, in order to develop different strategies and tools to solve them, to very dynamic phenomena containing nonlinear behaviors failures, damages. The first examples cover a wide variety of dynamic phenomena such as vibration analysis of mass elements, including impacts and contacts, and beam analysis with harmonic load applied, in which random parameters are included. These parameters can represent the unawareness or uncertainty of certain variables. During the development of the thesis several concepts are introduced and different methods are applied, such as the finite element method (FEM), which is solved through implicit and explicit schemes, and parametrical and statistical methods using the Monte Carlo analysis technique. Next, once the tools and strategies of analysis are set out more complex phenomena are studied. This is the case of a low-speed impact in composite materials, the residual strength of the structure is evaluated, and therefore, its damage tolerance. This incident may occur from a tool dropped, hail or debris throw on the runway. At an airport may also occur, and it is also analyzed, a collision between an airplane and a frangible device. The devise must brake under these loads, however, it must withstand others. Finally, all the considered methodology is applied to simulate and analyze a flight incident, the blade loss phenomenon of a turboprop. In this particular event the structure must support complex and exceptional loads and the aircraft must be able to successfully complete the flight. Nonlinear behavior, damage, and different types of failures are included in the analysis, in which the key parameters in the failure sequence are identified. The incident is analyzed by deterministic structural analysis and also by other techniques such as Monte Carlo method, in which it is possible to include different parametric uncertainties through random variables. Some of the evaluated parameters are, among others, the blade loss size, propeller rotational frequency, speed and angular position where the blade is lost, and the stiffness and strength of the engine mounts. The study does also research on the structural damping of the system. The different strategies of analysis obtain valuable and interesting results that have been already published.

Nonlinear normal modes in mechanical systems: concept and computation with numerical continuation

The purpose of this Project is, first and foremost, to disclose the topic of nonlinear vibrations and oscillations in mechanical systems and, namely, nonlinear normal modes NNMs to a greater audience of researchers and technicians. To do so, first of all, the dynamical behavior and properties of nonlinear mechanical systems is outlined from the analysis of a pair of exemplary models with the harmonic balanced method. The conclusions drawn are contrasted with the Linear Vibration Theory. Then, it is argued how the nonlinear normal modes could, in spite of their limitations, predict the frequency response of a mechanical system. After discussing those introductory concepts, I present a Matlab package called 'NNMcont' developed by a group of researchers from the University of Liege. This package allows the analysis of nonlinear normal modes of vibration in a range of mechanical systems as extensions of the linear modes. This package relies on numerical methods and a 'continuation algorithm' for the computation of the nonlinear normal modes of a conservative mechanical system. In order to prove its functionality, a two degrees of freedom mechanical system with elastic nonlinearities is analized. This model comprises a mass suspended on a foundation by means of a spring-viscous damper mechanism -analogous to a very simplified model of most suspended structures and machines- that has attached a mass damper as a passive vibration control system. The results of the computation are displayed on frequency energy plots showing the NNMs branches along with modal curves and time-series plots for each normal mode. Finally, a critical analysis of the results obtained is carried out with an eye on devising what they can tell the researcher about the dynamical properties of the system.

Two-dimensional isostatic meshes in the finite element method

In a Finite Element (FE) analysis of elastic solids several items are usually considered, namely, type and shape of the elements, number of nodes per element, node positions, FE mesh, total number of degrees of freedom (dot) among others. In this paper a method to improve a given FE mesh used for a particular analysis is described. For the improvement criterion different objective functions have been chosen (Total potential energy and Average quadratic error) and the number of nodes and dof's of the new mesh remain constant and equal to the initial FE mesh. In order to find the mesh producing the minimum of the selected objective function the steepest descent gradient technique has been applied as optimization algorithm. However this efficient technique has the drawback that demands a large computation power. Extensive application of this methodology to different 2-D elasticity problems leads to the conclusion that isometric isostatic meshes (ii-meshes) produce better results than the standard reasonably initial regular meshes used in practice. This conclusion seems to be independent on the objective function used for comparison. These ii-meshes are obtained by placing FE nodes along the isostatic lines, i.e. curves tangent at each point to the principal direction lines of the elastic problem to be solved and they should be regularly spaced in order to build regular elements. That means ii-meshes are usually obtained by iteration, i.e. with the initial FE mesh the elastic analysis is carried out. By using the obtained results of this analysis the net of isostatic lines can be drawn and in a first trial an ii-mesh can be built. This first ii-mesh can be improved, if it necessary, by analyzing again the problem and generate after the FE analysis the new and improved ii-mesh. Typically, after two first tentative ii-meshes it is sufficient to produce good FE results from the elastic analysis. Several example of this procedure are presented.

Compression, gain, and nonlinear distortion in an active cochlear model with subpartitions

The propagation of inhomogeneous, weakly nonlinear waves is considered in a cochlear model having two degrees of freedom that represent the transverse motions of the tectorial and basilar membranes within the organ of Corti. It is assumed that nonlinearity arises from the saturation of outer hair cell active force generation. I use multiple scale asymptotics and treat nonlinearity as a correction to a linear hydroelastic wave. The resulting theory is used to explain experimentally observed features of the response of the cochlear partition to a pure tone, including: the amplification of the response in a healthy cochlea vs a dead one; the less than linear growth rate of the response to increasing sound pressure level; and the amount of distortion to be expected at high and low frequencies at basal and apical locations, respectively. I also show that the outer hair cell nonlinearity generates retrograde waves.

Models for stochastic climate prediction

There has been a recent burst of activity in the atmosphere/ocean sciences community in utilizing stable linear Langevin stochastic models for the unresolved degree of freedom in stochastic climate prediction. Here several idealized models for stochastic climate modeling are introduced and analyzed through unambiguous mathematical theory. This analysis demonstrates the potential need for more sophisticated models beyond stable linear Langevin equations. The new phenomena include the emergence of both unstable linear Langevin stochastic models for the climate mean and the need to incorporate both suitable nonlinear effects and multiplicative noise in stochastic models under appropriate circumstances. The strategy for stochastic climate modeling that emerges from this analysis is illustrated on an idealized example involving truncated barotropic flow on a beta-plane with topography and a mean flow. In this example, the effect of the original 57 degrees of freedom is well represented by a theoretically predicted stochastic model with only 3 degrees of freedom.

Temperature, ordering, and equilibrium with time-dependent confining forces

The concepts of temperature and equilibrium are not well defined in systems of particles with time-varying external forces. An example is a radio frequency ion trap, with the ions laser cooled into an ordered solid, characteristic of sub-mK temperatures, whereas the kinetic energies associated with the fast coherent motion in the trap are up to 7 orders of magnitude higher. Simulations with 1,000 ions reach equilibrium between the degrees of freedom when only aperiodic displacements (secular motion) are considered. The coupling of the periodic driven motion associated with the confinement to the nonperiodic random motion of the ions is very small at low temperatures and increases quadratically with temperature.

The vibrational energy flow transition in organic molecules: Theory meets experiment

Most large dynamical systems are thought to have ergodic dynamics, whereas small systems may not have free interchange of energy between degrees of freedom. This assumption is made in many areas of chemistry and physics, ranging from nuclei to reacting molecules and on to quantum dots. We examine the transition to facile vibrational energy flow in a large set of organic molecules as molecular size is increased. Both analytical and computational results based on local random matrix models describe the transition to unrestricted vibrational energy flow in these molecules. In particular, the models connect the number of states participating in intramolecular energy flow to simple molecular properties such as the molecular size and the distribution of vibrational frequencies. The transition itself is governed by a local anharmonic coupling strength and a local state density. The theoretical results for the transition characteristics compare well with those implied by experimental measurements using IR fluorescence spectroscopy of dilution factors reported by Stewart and McDonald [Stewart, G. M. & McDonald, J. D. (1983) J. Chem. Phys. 78, 3907–3915].

Intramolecular vibrational dephasing obeys a power law at intermediate times

Experimental intramolecular vibrational dephasing transients for several large organic molecules are reanalyzed. Fits to the experimental data, as well as full numerical quantum calculations with a factorized potential surface for all active degrees of freedom of fluorene indicate that power law decays, not exponentials, occur at intermediate times. The results support a proposal that power law decays describe vibrational dephasing dynamics in large molecules at intermediate times because of the local nature of energy flow.

Microsatellite variability and genetic distances.

We analyze the within- and between-population dynamics of the distribution of the number of repeats at multiple microsatellite DNA loci subject to stepwise mutation. Analytical expressions for moments up to the fourth order within a locus and the variance of between-locus variance at mutation-drift equilibrium have been obtained. These statistics may be used to test the appropriateness of the one-step mutation model and to detect between-locus variation in the mutation rate. Published data are compatible with the one-step mutation model, although they do not reject the two-step model. Using both multinomial sampling and diffusion approximations for the analysis of the genetic distance introduced by Goldstein et al. [Goldstein, D. B., Linares, A. R., Cavalli-Sforza, L. L. & Feldman, M. W. (1995) Proc. Natl. Acad. Sci. USA 92, 6723-6727], we show that this distance follows a chi 2 distribution with degrees of freedom equal to the number of loci when there is no variation in mutation rates among the loci. In the presence of such variation, the variance of the distance is obtained. We conclude that the number of microsatellite loci required for the construction of phylogenetic trees with reliable branch lengths may be several hundred. Also, mutations that change repeat scores by several units, even though extremely rare, may dramatically influence estimates of population parameters.

Controle subótimo de manipuladores subatuados via redundância de atuação

Este trabalho apresenta uma metodologia de controle de posição das juntas passivas de um manipulador subatuado de uma maneira subótima. O termo subatuado se refere ao fato de que nem todas as juntas ou graus de liberdade do sistema serem equipados com atuadores, o que ocorre na prática devido a falhas ou como resultado de projeto. As juntas passivas de manipuladores desse tipo são indiretamente controladas pelo movimento das juntas ativas usando as características de acoplamento da dinâmica de manipuladores. A utilização de redundância de atuação das juntas ativas permite a minimização de alguns critérios, como consumo de energia, por exemplo. Apesar da estrutura cinemática de manipuladores subatuados ser idêntica a do totalmente atuado, em geral suas características dinâmicas diferem devido a presença de juntas passivas. Assim, apresentamos a modelagem dinâmica de um manipulador subatuado e o conceito de índice de acoplamento. Este índice é utilizado na seqüência de controle ótimo do manipulador. A hipótese de que o número de juntas ativas seja maior que o número de passivas permite o controle ótimo das juntas passivas, uma vez que na etapa de controle destas há mais entradas (torques nos atuadores das juntas ativas), que elementos a controlar (posição das juntas passivas). Neste ponto reside a contribuição desta tese ao estado da arte, uma vez que não há até o momento publicação que proponha o controle ótimo das juntas passivas neste caso.

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.