Large-scale Finite Element Simulation of Seismic Soil-Pile foundation-Structure Interaction

Ph.DDOCTOR OF PHILOSOPH

Elasto-plastic deformations within a material point framework on modern GPU architectures

Plastic strain localization is an important process on Earth. It strongly influ- ences the mechanical behaviour of natural processes, such as fault mechanics, earthquakes or orogeny. At a smaller scale, a landslide is a fantastic example of elasto-plastic deformations. Such behaviour spans from pre-failure mech- anisms to post-failure propagation of the unstable material. To fully resolve the landslide mechanics, the selected numerical methods should be able to efficiently address a wide range of deformation magnitudes. Accurate and performant numerical modelling requires important compu- tational resources. Mesh-free numerical methods such as the material point method (MPM) or the smoothed-particle hydrodynamics (SPH) are particu- larly computationally expensive, when compared with mesh-based methods, such as the finite element method (FEM) or the finite difference method (FDM). Still, mesh-free methods are particularly well-suited to numerical problems involving large elasto-plastic deformations. But, the computational efficiency of these methods should be first improved in order to tackle complex three-dimensional problems, i.e., landslides. As such, this research work attempts to alleviate the computational cost of the material point method by using the most recent graphics processing unit (GPU) architectures available. GPUs are many-core processors originally designed to refresh screen pixels (e.g., for computer games) independently. This allows GPUs to delivers a massive parallelism when compared to central processing units (CPUs). To do so, this research work first investigates code prototyping in a high- level language, e.g., MATLAB. This allows to implement vectorized algorithms and benchmark numerical results of two-dimensional analysis with analytical solutions and/or experimental results in an affordable amount of time. After- wards, low-level language such as CUDA C is used to efficiently implement a GPU-based solver, i.e., ep2-3De v1.0, can resolve three-dimensional prob- lems in a decent amount of time. This part takes advantages of the massive parallelism of modern GPU architectures. In addition, a first attempt of GPU parallel computing, i.e., multi-GPU codes, is performed to increase even more the performance and to address the on-chip memory limitation. Finally, this GPU-based solver is used to investigate three-dimensional granular collapses and is compared with experimental evidences obtained in the laboratory. This research work demonstrates that the material point method is well suited to resolve small to large elasto-plastic deformations. Moreover, the computational efficiency of the method can be dramatically increased using modern GPU architectures. These allow fast, performant and accurate three- dimensional modelling of landslides, provided that the on-chip memory limi- tation is alleviated with an appropriate parallel strategy

Geotechnical Engineering for the Preservation of Monuments and Historic Sites III

The conservation of monuments and historic sites is one of the most challenging problems facing modern civilization. It involves, in inextricable patterns, factors belonging to different fields (cultural, humanistic, social, technical, economical, administrative) and the requirements of safety and use appear to be (or often are) in conflict with the respect of the integrity of the monuments. The complexity of the topic is such that a shared framework of reference is still lacking among art historians, architects, structural and geotechnical engineers. The complexity of the subject is such that a shared frame of reference is still lacking among art historians, architects, architectural and geotechnical engineers. And while there are exemplary cases of an integral approach to each building element with its static and architectural function, as a material witness to the culture and construction techniques of the original historical period, there are still examples of uncritical reliance on modern technology leading to the substitution from earlier structures to new ones, preserving only the iconic look of the original monument. Geotechnical Engineering for the Preservation of Monuments and Historic Sites III collects the contributions to the eponymous 3rd International ISSMGE TC301 Symposium (Naples, Italy, 22-24 June 2022). The papers cover a wide range of topics, which include: 　 - Principles of conservation, maintenance strategies, case histories - The knowledge: investigations and monitoring - Seismic risk, site effects, soil structure interaction - Effects of urban development and tunnelling on built heritage - Preservation of diffuse heritage: soil instability, subsidence, environmental damages The present volume aims at geotechnical engineers and academics involved in the preservation of monuments and historic sites worldwide

Fault zone structure, heterogeneous rock properties, and application to reservoir conditions

Schichtung und Störungszonen sind typische Phänomene in Sedimentbecken wie dem Nordwestdeutschen Becken. Diese Gesteinsheterogenitäten können großen Einfluss auf viele verschiedene Fragestellungen im Zusammenhang mit der Exploration, dem Bohren und der hydraulischen Stimulation des geothermischen Reservoirs haben. Diese Doktorarbeit liefert Aussagen und Ansätze, wie hoch aufgelöste Daten, die in Aufschlüssen erhoben wurden, für eine verbesserte Vorhersage des Störungszonenaufbaus und der gesteinsmechanischen Eigenschaften in größeren Tiefen verwendet werden können. Um den Aufbau von Störungszonen und assoziierten Bruchsystemen in Sedimentgesteinen besser zu verstehen, wurden 58 Abschiebungen im Aufschlussmaßstab detailliert analysiert. Der Schwerpunkt lag dabei auf der Analyse von Bruchorientierung, -dichte, -öffnungsweite und -länge – jeweils getrennt betrachtet für Bruchzone und Nebengestein – sowie auf den strukturellen Indizes. Es konnten deutliche Unterschiede zwischen karbonatischen und klastischen Gesteinen festgestellt werden: in karbonatischen Gesteinen treten häufig ausgeprägte Bruchzonen mit erhöhten Bruchdichten auf. Während die maximale Öffnungsweite für beide Einheiten ähnlich ist, ist der Anteil an Brüchen mit großen Öffnungsweiten in der Bruchzone deutlich größer als im Nebengestein. In Karbonatgesteinen kann die Bruchorientierung in der Bruchzone stark von der im Nebengestein abweichen. In klastischen Gesteinen dagegen sind in beiden Einheiten ähnliche Bruchorientierungen zu finden. Die Auswertung der strukturellen Indizes zeigt, dass Abschiebungen in Karbonatgesteinen eher bruchzonen-dominiert sind als solche in klastischen Gesteinen und folglich größeren positiven Einfluss auf die Reservoirpermeabilität haben. Auf Basis der bestimmten Bruchdichtenverteilungen und Elastizitätsmoduli wurden effektive Steifigkeiten Ee innerhalb der Abschiebungen berechnet. Dabei zeigen Bruchzonen in klastischen Gesteinen eine deutlich geringere Abnahme der Steifigkeiten als solche in Karbonatgesteinen. Um die Kenntnisse über Eigenschaften typischer Gesteine im Nordwestdeutschen Becken zu erweitern, wurden physikalische (Vp-Geschwindigkeit, Porosität, Rohdichte und Korndichte) und gesteinsmechanische Parameter (Einaxiale Druckfestigkeit [UCS], Elastizitätsmodul, Zerstörungsarbeit und Zugfestigkeit; jeweils parallel und senkrecht zur sedimentären Schichtung) an 35 Gesteinsproben aus Aufschlüssen und 14 Bohrkernproben bestimmt. Für einen Teil dieser Proben (eine Vulkanit- sowie jeweils drei Sandstein- und Kalksteinproben) wurden Triaxialmessungen durchgeführt. Da Bohrkernmaterial selten ist, war es Ziel dieser Arbeit, die in-situ-Gesteinseigenschaften anhand von Aufschlussproben vorherzusagen. Die Eigenschaften von Proben aus größeren Tiefen werden dann mit denen äquivalenter Proben verglichen, d.h. Bohrkern und äquivalente Aufschlussprobe haben das gleiche stratigraphische Alter und eine vergleichbare sedimentäre Fazies. Die Äquivalenz der Proben wurde anhand von Dünnschliffen sichergestellt. Empirische Beziehungen bzw. Korrelationen zwischen UCS und allen physikalischen und geomechanischen Parametern wurden mit Regressionsanalysen bestimmt, jeweils lithologisch getrennt für alle Proben (inkl. Bohrkerne) und nur für Aufschlussproben. Die meisten Korrelationen haben ein hohes Bestimmtheitsmaß; die Ergebnisse der Bohrkerne liegen meist innerhalb der 90% Prognosebänder der Korrelationen, die für Aufschlussproben berechnet wurden. Auf ähnliche Weise wurden anhand von mehreren Triaxialmessungen pro Probe linearisierte Mohr-Coulomb Versagenskriterien bestimmt, die sowohl in Hauptnormalspannungen als auch in Normal- und Scherspannungen angegeben werden. Ein Vergleich zeigt, dass es zwar für Klastika und Vulkanite aus Aufschlüssen möglich ist, Versagenskriterien, die in Hauptnormalspannungen ausgedrückt werden, auf Bohrkernproben anzuwenden, aber nicht für Karbonate. Sind die Versagenskriterien allerdings in Normal- und Scherspannungen angegeben, ist die Anwendbarkeit für alle Gesteinsarten gut. Eine Übertragbarkeit der empirischen Beziehungen auf die Tiefe wird abgeleitet. Die wichtigsten Parameter, um die Anwendbarkeit der Aufschlussdaten zu gewährleisten, sind eine vergleichbare Textur und eine ähnliche Porosität von Äquivalenzproben aus Steinbrüchen und Bohrkernproben. Die Bruchausbreitung infolge einer hydraulischen Stimulation von heterogenen Gesteinen wurde mit dem Programm FRACOD analysiert. Es wurden numerische Modelle erstellt, die für das NWGB charakteristisch sind und die sowohl geschichtete Abfolgen als auch bereits existierende Brüche berücksichtigen. Die Ergebnisse der Untersuchung von Bruchsystemen in Störungszonen und die gemessenen gesteinsmechanischen Eigenschaften werden als Eingangsparameter verwendet. Die Modellierung zeigt, dass ein großer mechanischer Kontrast zwischen einzelnen Schichten bezüglich Elastizitätsmodul und Poissonkoeffizient geringeren Einfluss auf die Ausbreitungsrichtung des Bruches hat, als stark unterschiedliche Bruchzähigkeiten. Werden bereits existierende Brüche in das Modell eingebaut, zeigt sich eine starke Wechselwirkung mit dem induzierten Hydrobruch. Die Ergebnisse dieser Doktorarbeit sind von vielfältigem Nutzen. Erstens helfen die Daten bei der Exploration von geothermischen Reservoiren in Störungszonen mit hohen natürlichen Permeabilitäten. Zweitens liefern die Ergebnisse der Labormessungen Aussagen und Ansätze, wie man die mechanischen Gesteinseigenschaften in größeren Tiefen anhand von Aufschlussproben vorhersagen und sie als Eingangsparameter für zukünftige numerische Modellierungen zu geothermischen Fragestellungen heranziehen kann. Außerdem liefert die numerische Modellierung der Bruchausbreitung infolge einer hydraulischen Stimulation in heterogenen Gesteinen Einblicke in die relevanten Parameter, die Einfluss auf die Ausbreitungsrichtung des induzierten Bruches haben. Dieses Wissen wird dabei helfen, die hydraulische Stimulation an die jeweiligen Reservoirbedingungen anzupassen

Proceedings of FORM 2022. Construction The Formation of Living Environment

This study examines the integration of building information modelling (BIM) technologies in operation & maintenance stage in the system of managing real estate that helps to reduce transaction costs. The approach and method are based on Digital Twin technology and Model Based System Engineering (MBSE) approach. The results of the development of a service for digital facility management and digital expertise are presented. The connection between physical and digital objects is conceptualized