New Proposals for Modeling the Thermo-Mechanical Response of Steel Structures Under Fire Using Beam-Type Finite Elements

Tesis por compendio[ES] El fuego es uno de los principales riesgos que pueden afectar a las estructuras de acero. El impacto del fuego en estas estructuras es muy adverso y complejo de simular, principalmente en escenarios de fuego realistas, donde el calentamiento en los miembros de acero no es uniforme y en miembros de acero esbeltos porque fallan prematuramente por la aparición de abolladuras locales. Para predecir con exactitud la respuesta de las estructuras de acero al fuego, se han desarrollado modelos avanzados y complejos de EF con elementos de cáscara y sólidos. Sin embargo, estos modelos son costosos desde el punto de vista computacional, lo que complica la realización de análisis más complejos que requieren muchas simulaciones en poco tiempo y con bajos costes computacionales. Por lo tanto, es necesario desarrollar modelos computacionales sencillos, precisos y de bajo coste, tan fiables como los modelos de cáscara, que abran el camino más fácilmente hacia la modelización de problemas estructurales de acero más complejos en situación de incendio. En esta tesis se presentan propuestas sencillas y de bajo coste computacional para simular la respuesta mecánica de estructuras de acero en condición de incendio utilizando un elemento finito de viga de Timoshenko de Ansys. Una de las propuestas consiste en una nueva metodología para el análisis en 3D de estructuras de acero sometidas a temperaturas no uniformes por el fuego. Las otras consisten en dos estrategias de modelización para analizar el pandeo lateral torsional en miembros de acero de clase 4 a temperaturas elevadas. Las propuestas simplifican significativamente la modelización estructural y se validan satisfactoriamente con resultados numéricos y experimentales. Esto significa que problemas complejos de ingeniería de incendio, como los análisis probabilísticos y de optimización, pueden tratarse con mucha más facilidad, lo que representa un paso importante hacia la aplicación generalizada de enfoques basados en el desempeño para tratar los efectos del fuego en las estructuras de acero.[CA] El foc és un dels principals riscos que poden afectar les estructures d'acer. L'impacte del foc en estes estructures és molt advers i complex de simular, principalment en escenaris de foc realistes, on el calfament en els membres d'acer no és uniforme i en membres d'acer esvelts perquè fallen prematurament per l'aparició d'abonyegadures locals. Per a predir amb exactitud la resposta de les estructures d'acer al foc, s'han desenvolupat models avançats i complexos d'elements finits de corfa i sòlids. No obstant això, estos models són computacionalment costosos, la qual cosa complica la realització d'anàlisi més complexos que requerixen moltes simulacions en poc de temps i amb baixos costos computacionals. Per tant, és necessari desenvolupar models computacionals senzills, precisos i de baix cost, tan fiables com els models de corfa, que òbriguen el camí més fàcilment cap a la modelització de problemes estructurals d'acer més complexos en situació d'incendi. En esta tesi es presenten propostes senzilles i de baix cost per a simular la resposta mecànica d'estructures d'acer en condició d'incendi utilitzant un element finit de biga de Timoshenko d'Ansys. Una de les propostes consistix en una nova metodologia per a l'anàlisi en 3D d'estructures d'acer sotmeses a temperatures no uniformes pel foc. Les altres consistixen en dos estratègies de modelització per a analitzar el bombament lateral torsional en membres d'acer de classe 4 a temperatures elevades. Les propostes simplifiquen significativament la modelització estructural i es validen satisfactòriament amb resultats numèrics i experimentals. Açò significa que problemes complexos d'enginyeria d'incendi, com les anàlisis probabilístiques i d'optimització, poden tractar-se amb molta més facilitat, la qual cosa representa un pas important cap a l'aplicació generalitzada d'enfocaments basats en l'exercici per a tractar els efectes del foc en les estructures d'acer.[EN] Fire is one of the main hazards that can affect steel structures. The impact of fire on these structures is highly adverse and complex to simulate, mainly in realistic fire scenarios, where heating in steel members is non-uniform and in slender steel members because they fail prematurely by local buckling. In order to accurately predict the response of steel structures to fire, advanced and complex FE models with shell and solid elements have been developed. However, these shell models are computationally expensive, complicating the carrying out of more complex analyses that require many simulations in a short time and at low computational costs. Therefore, there is a need to develop simple, accurate, and low-cost computational models as reliable as shell-type models that open the path more easily towards modeling more complex steel structural problems in fire conditions. This thesis presents simple and low-cost proposals to simulate the mechanical response of steel structures under fire using Timoshenko's beam-type finite element available in Ansys. One of the proposals consists of a new methodology for the 3D-analysis of steel frames subjected to non-uniform temperatures by fire. The others consist of two modeling strategies for analyzing the lateral-torsional buckling in class-4 steel structural members at elevated temperatures. The proposals significantly simplify the structural modeling and satisfactorily validate numerical and experimental results. That means that complex fire engineering problems, such as probabilistic and optimization analyses, can be handled much more easily, representing a significant step toward the generalized application of performance-based approaches to deal with fire effects on steel structures.Pallares Muñoz, MR. (2022). New Proposals for Modeling the Thermo-Mechanical Response of Steel Structures Under Fire Using Beam-Type Finite Elements [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/182768TESISCompendi

Diseño de una herramienta educativa para estudiar la ecuación de Laplace - 2d con diferencias finitas: análisis del efecto de bordes en un condensador de placas paralelas

Las nuevas tecnologías informáticas abren un mundo de posibilidades inagotable en el ámbito de la docencia. En el caso particular de las enseñanzas técnicas, el uso de estas tecnologías se convierte en indispensable por la propia naturaleza de los recursos actuales de diseño y producción industrial. Los métodos numéricos ofrecen un amplio campo de actuación en este sentido. Por un lado, aparecen como una asignatura con gran porcentaje de troncalidad en cualquier carrera de ingeniería. Por otro lado, están en la base del desarrollo tecnológico del que a su vez se benefician en un constante proceso de retroalimentación. El trabajo que se presenta a continuación consiste en la elaboración de un material didáctico (herramienta educativa) destinado a la enseñanza de la ecuación de Laplace en dos dimensiones por medio de diferencias finitas. Particularmente, se estudia el análisis del efecto de bordes en un condensador de placas paralelas, dirigido en principio a los estudiantes de ingeniería de la Universidad Santo Tomás. Este tipo de materiales han sido desarrollados y utilizados con éxito por varias universidades del mundo, a lo largo de los últimos años dentro de los nuevos planes de estudio. El software didáctico objeto de este trabajo se ha construido utilizando como plataforma de pre y posproceso gráfico GiD (desarrollada por el Centro Internacional de Métodos Numéricos de la Universidad Politécnica de Cataluña) y como lenguaje de programación del motor de cálculo de diferencias finitas Fortran. El resultado es una herramienta educativa muy útil, que permite una efectiva comunicación profesor-alumno, adecuada tanto para las clases presenciales en el aula como para el trabajo personal del estudiante

Calibración de modelos de elementos finitos de muros de adobe por optimización

Este trabajo presenta una propuesta de aplicación de esquemas de optimización a la calibración de modelos lineales y no línea- les 3D de elementos finitos en el análisis estructural de muros de adobe. El desarrollo del proceso de calibración parte de los datos de laboratorio3 y de investigaciones previas4. El proceso de simulación y calibración comprende un estudio profundo del modelo conceptual del comportamiento estructural del adobe, modelo matemático y numérico y la interrelación con esquemas de optimización que son planteados a través de la minimización de una función objetivo. Esta se define en términos de las varia- bles de diseño y se restringe con los valores de las variables de estado. Ambas, son obtenidas del modelo de elementos finitos desarrollado en Ansys. El esquema de optimización con el que se realiza la calibración automatizada del modelo requiere de la programación de una macro con el lenguaje APDL del paquete. Con esta investigación5 se pretende avanzar en la implementa- ción de modelos computacionales no lineales para el análisis estructural de muros basados en datos experimentales, que permi- ta disponer de una herramienta para evaluar el comportamiento de muros de adobe con mayor seguridad con el fin de tomar decisiones de rehabilitación estructural viables y eficientes.This paper presents a proposal for applying optimisation schemes to calibrating 3D linear and non-linear finite element models for analysing structural walls made out of adobe. The calibration was based on laboratory data and that from previous research. Simulation and calibration involves a deep study of the conceptual model of adobe’s structural behaviour, mathematical and nu- merical models and the interrelationship with optimisation schemes arising from minimising an objective function. This is defined in terms of design variables and is restricted by the values of state variables. Both were obtained from the finite element model developed at ANSYS. The optimisation scheme with which the model was automatically calibrated required a macro to be pro- grammed using an APDL language package. This research was aimed at implementing nonlinear computational models for the structural analysis of walls based on experimental data; this provided a tool for assessing the behaviour of adobe walls with grea- ter security so that decisions can be made to make structural rehabilitation feasible and efficient

Formulaciones para superar la divergencia del método de iteración de punto fijo en la solución de ecuaciones no lineales

When we need to determine the solution of a nonlinear equation there are two options: closed-methods which use intervals that contain the root and during the iterative process reduce the size of natural way, and, open-methods that represent an attractive option as they do not require an initial interval enclosure. In general, we know open-methods are more efficient computationally though they do not always converge. In this paper we are presenting a divergence case analysis when we use the method of fixed point iteration to find the normal height in a rectangular channel using the Manning equation. To solve this problem, we propose applying two strategies (developed by authors) that allow to modifying the iteration function making additional formulations of the traditional method and its convergence theorem. Although Manning equation is solved with other methods like Newton when we use the iteration method of fixed-point an interesting divergence situation is presented which can be solved with a convergence higher than quadratic over the initial iterations. The proposed strategies have been tested in two cases; a study of divergence of square root of real numbers was made previously by authors for testing. Results in both cases have been successful. We present comparisons because are important for seeing the advantage of proposed strategies versus the most representative open-methods.Cuando se requiere encontrar la solución de una ecuación no lineal existen dos grandes alternativas: los métodos cerrados que usan intervalos que contienen la raíz y durante su proceso iterativo reducen su tamaño de manera natural, y los métodos abiertos que son una buena opción por no requerir un intervalo inicial que la encierre. En general, se sabe que los métodos abiertos son más eficientes computacionalmente aunque no siempre convergen. Este trabajo presenta el estudio de uno de los casos de divergencia cuando se usa el método abierto de iteración de punto fijo; se trata de una aplicación típica de hidráulica de canales cuando se requiere calcular el tirante normal en un canal rectangular haciendo uso de la fórmula clásica de Manning. Para solucionar el problema de divergencia se proponen dos estrategias (desarrolladas por los autores) que permiten modificar la función de iteración realizando formulaciones adicionales que parten del método original y su teorema de convergencia. Aunque la ecuación de Manning se resuelve con otros métodos como el de Newton, cuando se usa el de iteración de punto fijo se presenta una situación interesante de divergencia que puede solucionarse y además obtener convergencia superior a la cuadrática en las iteraciones iniciales. Situaciones de divergencia monotónica como la que se presenta en este artículo han sido estudiadas con las estrategias propuestas con resultados satisfactorios. En el artículo se presentan comparaciones para reconocer las ventajas de las estrategias propuestas frente a los métodos abiertos más representativos

Fortran application to solve systems from NLA using compact storage

Educational software of Numerical Linear Algebra (NLA) friendly was developed, with the last developments in compact storage formats or compressed formats. This software generates the possibility to have own tools, handling for teaching processes in undergraduate, research and advanced formation. Having a tool own computational for the solution of lineal algebra problems generates advantages, since, all the details, hypothesis, restrictions, applications and kindness of the software can be known of first hand, without necessity of requesting expensive support services. The incorporation of storage advanced elements, programming and acceleration of the solution of NLA problems in the software, not allow alone solve academic cases, but also real problems that induce the user to a better understanding of the problems in an efficient and widespread way

Diseño de una herramienta educativa para estudiar la ecuación de Laplace - 2d con diferencias finitas: análisis del efecto de bordes en un condensador de placas paralelas

Las nuevas tecnologías informáticas abren un mundo de posibilidades inagotable en el ámbito de la docencia. En el caso particular de las enseñanzas técnicas, el uso de estas tecnologías se convierte en indispensable por la propia naturaleza de los recursos actuales de diseño y producción industrial. Los métodos numéricos ofrecen un amplio campo de actuación en este sentido. Por un lado, aparecen como una asignatura con gran porcentaje de troncalidad en cualquier carrera de ingeniería. Por otro lado, están en la base del desarrollo tecnológico del que a su vez se benefician en un constante proceso de retroalimentación. El trabajo que se presenta a continuación consiste en la elaboración de un material didáctico (herramienta educativa) destinado a la enseñanza de la ecuación de Laplace en dos dimensiones por medio de diferencias finitas. Particularmente, se estudia el análisis del efecto de bordes en un condensador de placas paralelas, dirigido en principio a los estudiantes de ingeniería de la Universidad Santo Tomás. Este tipo de materiales han sido desarrollados y utilizados con éxito por varias universidades del mundo, a lo largo de los últimos años dentro de los nuevos planes de estudio. El software didáctico objeto de este trabajo se ha construido utilizando como plataforma de pre y posproceso gráfico GiD (desarrollada por el Centro Internacional de Métodos Numéricos de la Universidad Politécnica de Cataluña) y como lenguaje de programación del motor de cálculo de diferencias finitas Fortran. El resultado es una herramienta educativa muy útil, que permite una efectiva comunicación profesor-alumno, adecuada tanto para las clases presenciales en el aula como para el trabajo personal del estudiante

Modelo numérico del golpe de ariete con scilab

El golpe de ariete puede generar consecuencias severas en la integridad de las tuberías, y debido a ello, la si-mulación es un requisito esencial para asegurar el correcto diseño y operación de los sistemas de distribución de agua. En este sentido, el artículo pretende demostrar la importancia de los métodos numéricos en la resolución de este tipo de problemas. Para la simulación numérica del fenómeno se desarrolló un código en Scilab3 que permite representar la propagación de las ondas de presión haciendo uso del método de las características, aplicado a un caso clásico de la literatura. Este método emplea un esquema de diferencias finitas para resolver las ecuaciones de masa y momento. En el artículo se presentan las ecuaciones que gobiernan el problema desde el punto de vista numérico, se analiza el comportamiento del fenómeno y finalmente, se realiza una comparación entre los resultados obtenidos por la vía numérica y la solución teórica.A water hammer can produce severe consequences regarding pipe integrity; simulation thus becomes an es-sential requirement for ensuring proper water distribution system design and operation. This article thus tries to demonstrate the importance of numerical methods in resolving such problems. A Scilab code allowing pressure propagation to be represented using the characteristics’ method applied to a case of classic literature was thus developed for numerically simulating this phenomenon. This method uses a finite difference scheme for resolving mass and momentum equations. The article presents equations governing the problem from the numerical point of view, the phenomenon’s behaviour is analysed and results obtained by the numerical approach (calculating finite differences) are compared to those obtained with Scilab and the theoretical solution

Modelación del fenómeno de vibración forzada formulando una analogía eléctrica con el programa de elementos finitos “ansys”

El diseño de sistemas mecánicos sometidos a vibraciones requiere métodos de cálculo muy diferentes a los que se utilizan en o-tras disciplinas, ya que cuando estas aparecen, la magnitud de las fuerzas pasa a ser secundaria y la frecuencia con que la fuer-za se repite se convierte en el aspecto de mayor relevancia. Es necesario poner especial cuidado en ello, toda vez que fuerzas periódicas pequeñas pueden desatar más desastres que fuerzas estáticas de mayor magnitud. En este sentido, el artículo mues-tra un problema representativo de sistemas con vibración forzada, el tratamiento matemático de las ecuaciones diferenciales desde el enfoque mecánico y eléctrico, la analogía eléctrica, el proceso de modelación numérica de los circuitos empleando el programa de elementos finitos Ansys, el análisis y comparación de resultados de la modelación numérica respecto a valores a-nalíticos, el posproceso gráfico de los resultados y las conclusiones fundamentales de la validez de la metodología de analogía eléctrica en el análisis de sistemas de vibración forzada.Designing mechanical systems which are submitted to vibration requires calculation methods which are very different to those u-sed in other disciplines because, when this occurs, the magnitude of the forces becomes secondary and the frequency with which the force is repeated becomes the most important aspect. It must be taken care of, given that smaller periodic forces can prompt disasters than greater static forces. The article presents a representative problem regarding systems having forced vibration, the mathematical treatment of differential equations from an electrical and mechanical viewpoint, an electrical analogy, numerical modeling of circuits using ANSYS finite element software, analysis and comparison of numerical modeling results compared to test values, the post-processing of results and conclusions regarding electrical analogy methodology when analysing forced vibra-tion systems

Aplicabilidad del método de los elementos finitos en el análisis y dimensionamiento de losas JCPC para carreteras de dos carriles

Two-lane road JCPC (Jointed-Plain-Concrete-Pavement) slabs were analyzed and dimensioned using the EverFE 2.25 finite element modeler in order to reproduce the efforts of the pavement slab in a more realistic way. The “Westergaard”-1948 analytical method was used for the validation. With the results of efforts and the number of allowed repetitions of load we can conclude that the designs of JCPC slabs for two lanes do not require the analysis and dimensioning with own weight of the structure, because the percentage of variation is little significant. Therefore, we recommend omitting the density parameter in the analysis to generate a lower computational cost. This study shows us a route to continue analyzing other factors that influence the sizing of rigid pavements. We hope in future investigations to integrate loads of different vehicles and the behaviors produced by the presence of segments and tie bars in transverse and longitudinal joints.Se analizaron y dimensionaron losas planas de concreto con juntas (Jointed-Plain-Concrete-Pavement “JCPC” en inglés) para carreteras de dos carriles por medio del modelador de elementos finitos EverFE 2.25, intentando reproducir de una manera más ajustada a la realidad los esfuerzos del conjunto de losas de pavimento. Para la validación se empleó el método analítico Westergaard 1948. Los resultados de esfuerzos y número de repeticiones de carga permitidos llevaron a concluir que el diseño de losas JCPC para carreteras de dos carriles no requiere el peso propio de la estructura en el análisis y dimensionamiento porque el porcentaje de variación obtenido es poco significativo. Por lo tanto, se recomienda omitir el parámetro densidad en el análisis para generar un coste computacional menor. Este estudio traza una ruta para seguir analizando otros factores que puedan afectar el dimensionamiento de pavimentos rígidos. Se espera en próximas investigaciones integrar cargas de distintos vehículos y los comportamientos producidos por la presencia de dovelas y barras de amarre en juntas transversales y longitudinales

Experiencia educativa apoyada en TICs para el cálculo de centroides y momentos de inercia de figuras planas de contorno recto

El presente trabajo muestra los avances de un proyecto de investigación que incorpora TICs a los procesos de enseñanza – aprendizaje del tema de centroides y momentos de inercia de figuras planas de contorno recto en ingeniería. El proyecto busca el desarrollo de un software educativo que asista en el aula al profesor y al alumno en la comprensión del tema mencionado  anteriormente, como fase preliminar se aborda el estudio conceptual y matemático del tema, y se desarrollan formulaciones basadas en el teorema clásico de Green del cálculo, queposteriormente son implementadas en hoja de cálculo Excel para su respectiva verificación, hecho esto se tiene la base para de manera segura tener la certeza de la funcionalidad de las fórmulas halladas para el cálculo de centroides y de momentos de inercia y así pasar a la fase de desarrollo del software, al que posteriormente se le realizará una prueba rigurosa de usabilidad que identifique bondades y aspectos a mejorar en un proceso de ingeniería de software. Los resultados hallados son satisfactorios y permiten al equipo avanzar hacia la fase de desarrollo del software educativo, destacando que este proyecto además pretende proveer una oportunidad de iniciación científica a un estudiante, que para el caso se identifica en este artículo con el número 1 dentro del grupo de autores de esta publicación