Finite element formulation for thin-walled open composite beams including the effect of flexural and torsional shear deformation

En esta investigación se obtiene el campo de desplazamientos y deformaciones para una viga de sección abierta y pared delgada formada por laminados compuestos incluyendo en su cinemática las deformaciones tangenciales por cortante por flexión y torsión. La ecuación de equilibrio del sistema se define a través de una formulación variacional, mostrando que incluir las deformaciones de corte por torsión hace posible formular elementos finitos de clase Co . Las relaciones tensión-deformación se obtienen en la sección transversal de una viga de sección abierta formada por laminados compuestos extendiendo la teoría de laminados de primer orden - FSDT: first-order shear deformation ) y usando una «condición de esfuerzos nulos en el contorno». Se formulan 3 elementos finitos unidimensionales BSW (beam with shear and warping) con grado de continuidad Co para el estudio de vigas de sección abierta formadas por laminados compuestos. Mediante el uso de los elementos BSW se evalúa la influencia de la estrategia de integración ante el fenómeno de bloqueo por tensiones tangenciales y la velocidad de convergencia para los desplazamientos y giros. Se compara la integración de la matriz de rigidez cuando se aplican técnicas de integración exacta y reducida. Finalmente, se realizan 2 ejemplos donde se estudia el comportamiento a torsión pura y flexotorsión de una viga con sección en C empotrada en un extremo y se comparan los resultados obtenidos con otros de la literatura.In this paper we derive the field of displacements and strains for thin-walled open composite beams with composite laminated material including in their kinematics flexural and torsional shear deformations effects. The equilibrium equations are defined through the variational formulation and show that is possible to formulate Co finite elements taking into account the torsional shear deformation. Stress-strain relationships for the cross-section of thin-walled composite beams are obtained by extending first-order laminate (FSDT: first-order shear deformation) theory and using a «free stress resultant condition at the boundary». Three different one-dimensional finite elements with Co continuity are formulated for the study of thin-walled open composite beams and they are labelled as BSW (beam with shear and warping). The influence of the integration strategy in the BSW elements is evaluated via the shear-locking phenomenon and the rate of convergence for displacements and rotations. The stiffness matrix integration is compared using exact and reduced integration methods. Examples of pure torsion and flexo-torsion in a cantilever composite beam are performed. Numerical results are compared to those reported by other authors.Peer Reviewe

Soluciones del factor de intensidad de tensiones para fisuras elípticas internas en barras cilíndricas sometidas a esfuerzos de tracción

Comunicación presentada en: XXXVII Congreso del Grupo Español de Fractura GEF2021, celebrado de forma virtual los días 7 y 8 junio de 2021Existe un gran número de aplicaciones en las cuales los defectos internos, como poros o inclusiones, son la principal causa de la iniciación de fisuras por fatiga en piezas de geometría cilíndrica. En este trabajo se presentan las soluciones del factor de intensidad de tensiones para fisuras elípticas internas en geometrías cilíndricas sometidas a esfuerzos de tracción. Las soluciones han sido obtenidas mediante un análisis por elementos finitos, y se presentan tabuladas en función de tres parámetros adimensionales: el tamaño de la fisura frente al radio de la pieza, la relación de aspecto de la fisura elíptica y la posición relativa de la misma. Para la validación del modelo numérico desarrollado, las soluciones aportadas se han comparado con una serie de soluciones representativas disponibles en la literatura. Posteriormente, y para que el análisis en fatiga de este tipo de componentes sea completo, se establecen las condiciones para la recategorización de la fisura elíptica interna en una fisura semielíptica superficial que permita continuar el cálculo en fatiga cuando el defecto interno alcance la superficie de la pieza. Finalmente, se presenta una comparación con resultados experimentales de la evolución del crecimiento de fisuras por fatiga iniciada a partir de defectos internos en probetas cilíndricas sometidas a cargas de tracción, lo que permite evaluar la capacidad de las soluciones proporcionadas para el análisis de crecimiento de grietas de fatiga en esta geometría.There is a large number of applications in which internal defects, such as pores or inclusions, are the main cause of the fatigue cracks initiation in round bars. This paper presents a set of stress intensity factor solutions for internal elliptical cracks in round bars subjected to tensile loads. Solutions have been obtained from a 3D finite element analysis, and are presented in a tabulated form as a function of three dimensionless parameters: the crack size to the radius of the round bar, the crack aspect ratio of the elliptical flaw and its relative position in the cross area. In order to validate the numerical model developed, some extreme situations are compared with solutions of embedded elliptical flaws in different geometries available in the literature. Afterward, and in order the fatigue analysis of this geometry to be complete, the conditions for the recategorization of the internal elliptical crack to a semi-elliptical surface crack are defined, that allows the fatigue crack growth calculation to be continued as the internal defect reaches the surface of the round bar. Finally, a comparison with experimental results of the evolution of fatigue crack growth initiated from internal defects in round bars subjected to tensile loads is presented. This experimental validation allows the capacity of the solutions provided for the analysis of growth of fatigue cracks in this geometry to be evaluated.Los autores desean agradecer la financiación recibida a través del proyecto de la JCyL referencia BU-002-P20, cofinanciada con fondos FEDER

Metodología de un estudio de los condicionantes que el estado de la estructura impone a un edificio para su rehabilitación y/o remodelación

El propósito inicial del presente proyecto es ofrecer un enfoque general de la influencia y los condicionantes que impone el estado actual de una estructura cuando vamos a intervenir en ella, pues esto puede limitar tanto el grado de rehabilitación, como las operaciones que puedan realizarse en la reparación. Se aborda inicialmente desde una perspectiva muy amplia, considerando la práctica totalidadde materiales constructivos que podemos encontrarnos en el parque inmobiliario.Cuando iniciamos el proceso de rehabilitación o reparación de un edificio, lo primero que hacemos es una inspección visual del mismo para obtener una imagen inicial del inmueble, que nos proporcione herramientas válidas para un análisis riguroso. Se analizan con detenimiento los posibles deterioros que podemos observar, procedentes, o bien de un estado deficiente del material estructural, o de unos esquemas estructurales inadecuados. En ambos puntos hemos profundizado mucho en su análisis, pues conocer el origen de una deficiencia es, generalmente, el primer paso para subsanarla. Posteriormente, se detallan las operaciones que se emplean para conocer el estado actual, entendiendo por esto, la realización de un número suficiente de calas para comprobar si la estructura actual se ajusta a lo definido en las especificaciones de proyecto. También se realizan una serie de ensayos, destructivos y no destructivos, para conocer las resistencias y terminar de definir las geometrías del inmueble. Una vez reunidos todos los datos que nos permiten obtener una imagen lo más ajustada posible del estado real de la estructura, de sus geometrías y deficiencias, estamos ya en disposición de encontrar soluciones para una correcta rehabilitación. Por último, se exponen dos casos de estudio que sirven para ilustrar el contenido teórico de nuestro trabajo. En ellos, y para ejemplificar lo expuesto anteriormente, después del necesario estudio previo se hacen propuestas de reparación y rehabilitación para subsanar cada deficiencia presente en la estructura. The initial purpose of this project is to provide a general approach to the influence and constraints imposed by the current state of a structure when we intervene in it, as this may limit both the degree of rehabilitation, such operations can be performed in repair. It is first addressed from a broad perspective, considering almost all building materials that we find in the housing stock. When the process of rehabilitation or repair of a building is started, the first thing to do is a visual inspection of an initial image for the property, which provide valid tools for rigorous analysis. The potential damage observed are carefully analyzed, from either a poor state of structural material or a structural schemes inadequate. Both points have been deeply analyzed, because knowing the origin of a deficiency is usually the first step to address it. Subsequently, the operations that are used to determine the current status, which means the realization of a sufficient number of bays to see if the current structure is set as it was defined in the project specifications. Also conducted a series of tests, destructive and non-destructive to meet resistance and finish defining the geometry of the building. Once we have all the data that allow us to obtain the most accurate picture of the actual state of the structure, its geometry and shortcomings, we are now ready to find solutions for a successful rehabilitation. Finally, here are presented two case studies that illustrate the theoretical content of our work. In them, and to exemplify the above, after the previous necessary study repair and rehabilitation proposals are exposed to address each deficiency present in the structure

Pedestrian bridge over Pisueña river

RESUMEN: Hasta ahora la conexión entre el barrio de Vega y Saro se hacia mediante un estrecho puente de trafico mixto entre peatones y coches por una única calzada, de aquí sale la necesidad de dividir el tráfico y enviar el trafico peatonal entre estas dos zonas por una pasarela cercana al puente. Al ser una zona rural el diseño del puente se intenta ajustar al entorno intentando no crear una estructura con un gran desentone en la zona, es por eso que se crea una pasarela estrecha en alzado con apenas mas espesor que el de la barandilla con dos estribos prácticamente enterrados y sin ninguna pila, al ser de reducido vano, unos 30 metros. El material elegido es acero, al ser más eficiente en se relación peso resistencia que el hormigón o la madera, pudiendo así crear formas mas ajustadas a los requerimientos estéticos. La estructura se apoyara en dos estribos, y estos estarán sobre la capa de ofitas inferior a la capa de terreno de aluvión, siendo innecesario el pilotaje de los apoyos. El diseño corresponde al de media viga Gerber, con solo un apoyo empotrado, siendo dos vigas separadas, de canto variable que imitan la forma del diagrama de momentos de una viga empotrada en un extremo de tal manera que en las zonas de mayor flector hay mayor canto y en la zona de momento nulo hay el equivalente a una rotula. De esta manera se reduce el momento en el centro de vano y la flecha, y por lo tanto la necesidad de una mayor inercia y su canto. La construcción se realizará in situ, para los estribos y en la zona anexa se construirán las vigas simultáneamente, para su posterior izado y colocación cuando el hormigón alcance la necesaria resistencia. Además, se colocará a una altura necesaria para tener un margen de 75 centímetros sobre el nivel de agua en caso de avenida de 500 años de periodo de retorno.ABSTRACT: Until now the connection between the neighborhood of Vega and Saro was made by a narrow bridge of mixed traffic between pedestrians and cars on a single road, from here comes the need to divide the traffic and send the pedestrian traffic between these two areas to a footbridge near the bridge. Because being a rural area, the design of the bridge try to be adjusted to the environment, trying not to create a structure with a great difference with the area, that is why a narrow footbridge is created in elevation, with barely more thickness than that of the railing, with two supports practically buried and without any pile, being of reduced vain, about 30 meters. The chosen material is steel, as it is more efficient in relation to the weight resistance than concrete or wood, thus being able to create forms more adjusted to aesthetic requirements. The structure will be supported at sides, and these will be on the layer of rock, under the layer of alluvial terrain, being unnecessary the piloting of the supports. The design corresponds to half Gerber beam, with only one fixed support, being two separate beams, of variable height that imitate the shape of the moment diagram of a beam embedded in one end in such a way that in areas of greater bending there is greater beam height and in the zone of null moment there is the equivalent to a hinge. In this way the moment in the center of vain and the displacement is reduced, and therefore the need for greater inertia and its beam height. The construction will be carried out in situ, for the supports and in the adjacent area the beams will be built simultaneously, for its subsequent lifting and placement when the concrete reaches the necessary strength. In addition, it will be placed at a necessary height to have a margin of 75 centimeters above the water level in case of a flood of 500 years of return period.Grado en Ingeniería civi