Amplificación sísmica: una aproximación por Elementos Finitos

En las páginas que siguen se presenta el estudio de uno de los más típicos problemas de dinámica estructural, cual es la obtención de la respuesta de una estructura excitada por un movimiento de la base. Este es un caso muy frecuente en ingeniería sísmica, donde el objeto del estudio puede ser el edificio (sometido a un movimiento en la cimentación) o un estrato de terreno sobre fondo rígido. Al objeto de facilitar un soporte intuitivo a la exposicióri, ésta se organiza en base al segundo de los casos citados (estrate en base rígida). La aproximación escogida, elementos finitos, pone de relieve una vez más la potencia y generalidad del método en lo que respecta a la formulación del sistema de equilibrio. La discusión se centra en un aspecto concreto del método: la elección de funciones de forma.

Análisis experimental y por el método de los elementos finitos del estado de tensiones en uniones carpinteras de empalme de llave

In this research, the halved and tabled traditional timber scarf joint is analyzed. This joint consists in two end joint pieces usually subjected to tension. Initially, the study is discussed from an experimental point of view. In this way, 3 critical cross-sections are established (section of the notch, section of the horizontal plane and reduced section) and mechanical tests are performed to achieve the failure on each of critical sections by changing the geometry of the joint. The study is completed by developing a finite element model which allows verify experimental results and extend the analysis to other geometries. This model has to simulate the real behavior of the material which is being studied, so mechanical tests are performed to obtain the elastic constants and the coefficients of friction of the material. In the reduced section, an abrupt decrease of the effective cross-section takes place, and this effect is also experimentally analyzed. These tests indicate that a crack is initiated before the bending-tension failure occurs in the reduced section. The test material consists of wood of Pinus sylvestris L. coming from the “Valsaín´s Sawmill” (Segovia) with “premium quality” according to the nonstructural wood visual classification of sawmill. It is observed that initiation of a crack, in the mortise (bottom of reduced section), and shear stress concentration, at the initial part of the heel (beginning of horizontal plane), completely determine the mechanical behaviour of the joint, resulting in 3 failure modes: local compression failure in the section of the notch, shear failure in the horizontal plane, and failure of stresses concentration, mainly perpendicular to the grain tension, at the bottom of reduced section. The geometric optimization is obtained for halved and tabled traditional scarf joint, when the joint has made with similar properties of wood than tested specimens, for any height and width of the cross-section. It is considered the failure due to the initiation of a crack in reduced section, by applying a correction coefficient into the usual equation used to design the members subjected to both tension and bending. Therefore, it is possible to obtain, analytically, the design conditions to be met of the 3 critical cross-sections. According to the theoretical optimization, the tension strength of complete cross-section is reduced until 14%, when using this type of joint. The experimental optimization indicates even a greater reduction, until 6%. En el presente trabajo de investigación se analiza el comportamiento mecánico de las uniones tradicionales de empalme de llave, que consisten en dos piezas unidas por sus testas transmitiéndose entre ellas principalmente un esfuerzo de tracción. Inicialmente, el estudio se aborda desde un punto de vista experimental. De este modo, se establecen las 3 secciones críticas o de estudio (sección del encaje, sección rasante del cogote y sección reducida) y se realizan ensayos mecánicos, variando la geometría de la unión, para alcanzar la rotura en cada una de ellas. Se completa el estudio mediante la elaboración de un modelo por elementos finitos que permite verificar los resultados experimentales y ampliar el análisis a otras geometrías. Este modelo debe simular el comportamiento real del material objeto de estudio, por lo que se realizan ensayos para obtener las constantes elásticas y los coeficientes de rozamiento del mismo. También se analiza, experimentalmente, el efecto entalladura que reduce bruscamente la sección completa del tirante, estableciendo que el fallo por flexotracción en la sección reducida de la pieza, no llega a producirse por el inicio previo de una grieta. El material de ensayo consiste en madera de Pinus sylvestris L. (pino silvestre) procedente del Aserradero de Valsaín (Segovia) y de calidad “Extra” o “Primera” según la clasificación visual no estructural del aserradero. Se observa que el inicio de una grieta en la mortaja del rediente y la concentración de tensiones tangenciales en la parte inicial del cogote, determinan completamente el comportamiento mecánico de la unión, dando lugar a 3 modos distintos de rotura: fallo por compresión en la sección del encaje, fallo por cortante en la sección rasante y fallo por concentración de tensiones, principalmente tracciones perpendiculares, en el rebaje de la sección reducida. Se consigue optimizar geométricamente cualquier empalme de llave confeccionado con madera de características similares a la ensayada, para cualquier valor de la altura y de la anchura de la sección. Se considera el agotamiento en la sección reducida causado por el inicio de grieta, mediante la aplicación de un coeficiente corrector en la expresión habitual de agotamiento por flexotracción, en consecuencia, finalmente es posible obtener, de modo analítico, un valor del índice de agotamiento en cada una de las 3 secciones de estudio. La optimización teórica del empalme de llave indica que la capacidad resistente del tirante bruto se reduce al 14%, cuando se coloca este tipo de unión tradicional. Experimentalmente se obtiene, que, para la sección ensayada, la capacidad resistente del tirante bruto se reduce todavía más, llegando al 6%.

Análisis del proceso de fisuración en estructuras de hormigón por el Método de los Elementos Finitos mediante un modelo plástico

El Método de los Elementos Finitos ha demostrado ser una poderosa herramienta para el análisis de problemas complejos en Ingeniería Estructural, tales como la resolución de estructuras cuyos materiales son susceptibles de plastificación, por ejemplo. En cualquier caso, tal éxito sólo es posible cuando el modelo elegido de comportamiento corresponde a la realidad experimental; siendo éste uno de los problemas aún no resueltos para el hormigón por no existir modelos suficientemente generales que predigan su comportamiento dentro de las teorías de la Mecánica del Continuo. En este trabajo se presenta un modelo para el estudio de la fisuración en el hormigón dentro de un contexto matemático análogo al utilizado en la Teoría de la Plasticidad; de manera que los esquemas utilizados en el M.E.F. para la implementación de ésta siguen siendo válidos. El resultado es un método para el análisis de estructuras de hormigón que recoge el complejo fenómeno de la fisuración con relativa sencillez. También son presentados algunos ejemplos resueltos con un programa de ordenador que implementa dicho modelo dentro de las técnicas del M.E.F.

Implementación del método simplet en un programa de elementos finitos basados en volumenes de control

En este trabajo se presenta la implantación del método SIMPLET en un programa de elementos finitos basados en volúmenes de control. Este método toma en cuanta las variaciones de temperatura en la determinación del campo de presiones en problemas de convección libre, con el próposito de acelerar la convergencia y disminuir los tiempos de computación. El método SIMPLET, que originalmente ha sido propuesto en base al método de diferencias finitas con mallas desplazadas, se implementó en un programa de elementos finitos basados en volúmenes de control con mallas no desplazadas. Se resolvió un problema de convección libre en una cavidad cuadrada y los resultados obtenidos en términos del número de iteracciones y tiempo de computación se compararon se compararon con los resultados del método SIMPLE. Los resultados muestran que en este tipo de problemas el método SIMPLET es más rápido que le SIMPLE cuando el número de Rayleigh es bajo, mientras que para números de Rayleigh elevados, el desempeño de ambos métodos es similar.

La versión p-adaptable del Método de los Elementos Finitos y del Método de los Elementos de Contorno: aplicaciones en elasticidad bidimensional

Este trabajo discute la bondad de las técnicas numéricas p-autoadaptables, comparando el Método de los Elementos Finitos (MEF) y el Método de los Elementos de Contorno(MEC). Se presenta un breve resumen de las herramientas matemáticas necesarias para gobernar el proceso de refinamiento en ambos métodos. Finalmente, se presenta un ejemplo ilustrativo de relevancia práctica en ingeniería, el cual pone de manifiesto la potencia y versatilidad de las técnicas p-adaptables frente a situaciones reales.

Los Métodos de las Características y Elementos Finitos en propagación de ondas

Se presentan a continuación algunas consideraciones acerca de la propagación de ondas en medios unidimensionales elásticos y viscoplásticos. El objetivo básico es la comparación entre diferentes modelizaciones del sistema establecidas siguiendo las técnicas de Elementos Finitos. Como criterio comparativo se utilizan resultados obtenidos mediante el método de las características, que, para el caso descrito proporciona la solución más aproximada. La justificación del trabajo radica en que las técnicas de Elementos Finitos son fácilmente generalizables a problemas bi o tridimensionales,mientras que las de características pierden rápidamente la ventaja de su simplicidad.

Un estudio sobre la exactitud del método de los elementos finitos : aplicación a la barra recta de sección variable bajo esfuerzos axiles

El objetivo de este trabajo se centra en la formulación clásica del método de los elementos finitos y dentro de ella, únicamente en un aspecto todavía no bien estudiado: su exactitud. En opinión del autor, la complejidad de este estudio, en el estado actual de conocimientos, motiva que aquel no sea susceptible de un planteamiento general. Por esta razón, ha parecido conveniente la consideración de un caso estructural muy simple -la columna de sección variable-, correspondiente a un problema en elementos finitos - de clase C0, que, sin embargo, permite, por un lado, su extensión a situaciones estructurales análogas (problemas de torsión, membranas de revolución, bandas finitas, etc.), sin apenas modificación conceptual, y, por otra parte, aportar indicaciones sobre las posibilidades de llevar a cabo un análisis paralelo en elementos y estructuras más complejos, bien en mayor dimensión (estructuras 2-D y 3-D), bien en requerimientos de continuidad más elevada (estructuras de flexión, tipo c1 , etc.).

Optimización de mallas bidimensionales en elementos finitos

La solución al problema de encontrar la malla óptima en Elementos Finitos (EF), con un determinado número de grados de libertad, presenta un indudable interés en la aplicación del método. En la actualidad, el problema se plantea en términos de un proceso que permite obtener una mejor malla de elementos finitos a partir de una inicial. La nueva malla se diseña matemáticamente (remallado) de forma que el error del método sea lo más uniforme posible en todo el dominio de cálculo. Sin embargo, esta técnica de indudable interés y aplicación, al aumentar el número de grados de libertad (gdl) de la aproximación, no permite deducir de un modo directo el problema de la malla óptima condicionada a un número fijo de gdl. Con la solución de este problema se podrán deducir algunos criterios y recomendaciones para el diseño de una malla de elementos finitos, que exigirá, en general, en un proceso de remallado, modificaciones menores. Para problemas unidimensionales (barras y pilares simples), se pueden encontrar soluciones analíticas. Para problemas 2-D más complicados (tensión y deformación plana), se han utilizado métodos numéricos para obtener la malla óptima. Existen varios criterios de optimización, aquí se utiliza el del mínimo de la energía potencial total (EPT). Algunos ejemplos ilustrativos del método de optimización se presentan, indicándose algunas conclusiones.

Mallas isostáticas bidimensionales en elementos finitos

Se plantea el problema de conseguir un método que, partiendo de una malla inicial en elementos finitos, genere una malla próxima a la óptima, conservando el mismo número de grados de libertad y, por consiguiente, sin penalizar los tiempos de análisis por ordenador. La bondad de una malla se mide por un funcional determinado (Energía Potencial Total, Error Cuadrático Medio, etc.) La Técnica de gradiente descendente, aplicada al funcional de Energía Potencial Total (1) permite, a partir de una inicial dada, obtener una malla mejorada. No obstante, este método requiere un esfuerzo de computación muy grande. Como consecuencia de la aplicación del método del gradiente descendente a numerosos casos, se ha observado que la geometría que adopta la malla mejorada, se aproxima a la de una malla tal que sus nudos se sitúen sobre las líneas isostáticas (envolventes de las tensiones principales) y generen elementos regulares (de lados iguales) o cuasirregulares. La conclusión más importante es, precisamente, que a partir de una malla inicial, razonablemente regular, se puede realizar un único análisis y definir las isostáticas correspondientes a este modelo. Ajustando una malla, con el mismo número de nudos que la inicial, a las líneas isostáticas con nudos situados de forma regular, se obtiene otra que está próxima a la óptima. A la malla así obtenida, se la denomina isostática isométrica. Esta conclusión se ha probado que es válida para los diferentes funcionales que se utilizan para evaluar la bondad de la malla en elementos finitos.

Una familia de elementos finitos clase C.1. Aplicación a la flexión de placas de Kirchhoff

Se hace una pequeña introducción y después un estudio sobre las posibilidades y limitaciones en análisis de placas delgadas de elementos simples polinómicos de clase C.1. Se expone una familia jerárquica de dichos elementos, que se aplica a varios casos particulares. En base a estos se deducen algunas conclusiones, especialmente en lo que se refiere a eficacia computacional. Al final se proponen trabajos a realizar a partir de los datos existentes.

Aplicación del método de los elementos finitos a problemas de interpolación

Como es conocido, no siempre admite solución el problema de interpolación polinómica de Birkhoff. En este trabajo se presenta un método como alternativa a este tipo de problemas para la obtención de interpolantes con unas determinadas conclusiones de continuidad y en el cual el criterio de aproximación es el de minimización de un cierto funcional real utilizando el método de los elementos finitos. Se describe el método empleado, así como diversos ejemplos l-D y la extensión a problemas 2-D.

Desarrollo de familias jerárquicas de elementos finitos de clase CK

Existen numerosas situaciones en la Técnica para las que es preciso resolver problemas de condiciones iniciales y contorno con una elevada exigencia de continuidad en las soluciones. Algunos ejemplos no exhaustivos se citan a continuación: flexión de vigas y placas en el análisis de las estructuras, problemas de láminas, topografía, trazado de vías de comunicación, definición geométrica de estructuras o reconocimiento caligráfico. Para ello se utilia el método de los elementos finitos que constituye en la actualidad una técnica matemática de discretización bien establecida . Su eficiencia se manifiesta en particular en la resolución de problemas de contorno planteados en su formulación débil y en los problemas de determinación de extrema les de funcionales.

Elementos finitos en suelos deformables

En el estudio de determinados elementos estructurales de clmentacl6n -vigas y losas flotantes, pilotes, etc. - se han desarrollado modelos simplificados para simular el omportamiento del terreno, asomilándolo a un medio continuo y elástico. Esta idealización, claramente alejada de la realidad, ha sido y aún sigue siendo utilizada en numerosos casos en los que el grado de fiabilidad requerido no hace recomendable el recurrir a técnicas de análisis más sofisticadas y económicamente más costosas, como podrfa ser, por ejemplo, la discretización del conjunto "elemento estructural-terreno de cimentación" mediante elementos finitos.

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.