Kratos Dem, a paralel code for concrete testing simulations using the discrete element method

This dissertation is the result of the implementation of a Discrete Element Method code in an open source object-oriented software platform called Kratos developed in CIMNE (Barcelona). After the introduccion and the objectives, a brief review on the Discrete Element Method in its basic conception is presented in the third chapter of the document while the theoretical developments and discussions for the application of the method to continous media, specially to conctrete testing simulation, can be found in the fourth chapter. Also here, special attention is paid to the capabilities of this method when it is applied to continuous media; several numerical analisis are performed here to show the possibilities and limitations of the method in the fifth chapter. In the sixth chapter, the Kratos framework is introduced and the basic structure of the developed application is explained. The implementation of the utilities that permit, from a user-friendly interface, perform concrete test simulations can be found here. Furthermore, the possibilities and advatages that the Kratos framework provides the DEM-Application are shown as well as examples of how the code behaves in terms of High Performance Computing. Additionally, examples of coupling of this application with other codes and work done by other researchers in the institution are here presented. In the seventh chapter, the results of the different concrete simulation tests can be found as a verification of the code comparing with the results obained by Dempack. Finally, in the last chapter some conclusions and future work is presented. The objective of the KDEM, in its conception, was to have a base program for the DEM coded in a very powerful and versatile platform, the open-source multiphysics code Kratos. This permits different researchers extending and improving the code as well as using as a closed package for projects and simulation by advanced users and engineers. Previous to this, in CIMNE, another code based on the Discrete Element Method has been used for engineering projects, Dempack. When the KDEM code started the purpose was to provide CIMNE a general DEM application able to be parallelized and to be combined with other fluid or structure applications. At the same time, a lot of implementation has been done in order to substitute, and improve if possible, the existing code Dempack; part of this thesis focuses on the concrete test simulation, a field where CIMNE has currently projects ongoing. The result of this work accomplishes the objective of providing Kratos a general purpose paralelizable Discrete Element Method application which is the of the interest of CIMNE. In a second term, it presents the first promising results in the field of Concrete Test Simulation, following the objective of substituing in the future, the existing application, Dempack

Projecte constructiu de nau logística amb estructura metàl·lica

L’objectiu del projecte és el disseny d’una nau industrial destinada al magatzem logístic de mercaderia empaquetada amb sistema de pelleteria europeu estàndard. L’abast del projecte és la totalitat de l’obra civil per la construcció de la nau industrial en el solar del polígon industrial en qüestió que ja està urbanitzat. S’inclou el disseny i el càlcul dels elements constructius definitoris de la nau industrial així com l’estructura metàl·lica, els tancaments, la coberta, el paviment, la fonamentació, el drenatge, etc. No es contempla incloure en aquest document, el projecte d’activitats ni el projecte instal·lacions necessaris per obtenir la llicència d’activitats així com llicència ambiental. S’inclou tota la informació tècnica necessària perquè el projecte s’ajusti estrictament a la normativa aplicable, el Codi Tècnic de l’Edificació. Moltes d’aquestes justificacions específiques de cada element constructiu o àmbit es troben inclosos en annexes de justificacions de càlcul i dimensionament que tenen un enfocament més acadèmic però alhora el doten de plena validesa com a projecte executiu d’obra civil.El terreny actual del solar té una superfície amb poca pendent que s’anivella amb pendents de com a màxim 5% per deixar la nau i els passos circumdants a la mateixa altura. El tancament de la parcel·la es amb murs que salven els desnivells i asseguren un sòcol mínim sobre el qual es munta una tanca metàl·lica que assoleix la cota mínima de 1,80.La nau es pot accedir des de dos carrers, l’accés de l’autovia i el carrer Tomàs Viladomiu. L’accés Sud (accés a autovia) està pensat bàsicament per a l’entrada i sortida dels camions que operaran en la nau. Els accessos des del carrer Tomàs Viladomiu són per l’accés dels vehicles privats i furgonetes per a la distribució de paquets. La nau fa 80,50 metres d’amplada i 95m de profunditat; l’altura lliure requerida per a l’activitat son 9 metres sobre rasant. L’estructura de la nau és resol amb dues gelosies de perfils tubulars d’acer de llum 40 metres cada una amb un sol pilar entremig dotant-la d’una gran diafanitat..El tancament de la nau és mitjançant plaques de formigó prefabricat i la coberta és resol amb panell Sandwich i lluernaris de policarbonat de 1,20 m d’ample sustentats sobre un sistema de corretges amb perfils laminats d’acer.El paviment interior i exterior de la nau és de 21 cm de formigó sobre una base de 20cm de tot ú. L’esplanada es realitza anivellant i tractant les terres pròpies del terreny que han estat classificades com a material adequat. La fonamentació és semi profunda mitjançant sabates superficials que es recolzen en pous de formigó en massa fins arribar a l’estrat rocós que es troba a uns 4,00 m de profunditat en mitjana

Advances in the DEM and coupled DEM and FEM techniques in non linear solid mechanics

Abstract In this chapter we present recent advances in the Discrete Element Method (DEM) and in the coupling of the DEM with the Finite Element Method (FEM) for solving a variety of problems in non linear solid mechanics involving damage, plasticity and multifracture situations.Preprin

Modelització del medi continu mitjançant el Mètode dels Elements Discrets. Teoria i implementació en una plataforma de programació orientada a objectes

[ANGLÈS] The Discrete Element Method is a relatively new technique that has nowadays and intense research in the field of numerical methods. In its first conception, the method was designed for simulations of dynamic system of particles where each element is considered to be an independent and non deformable entity that interacts with other particles by the laws of the contact mechanics and moves following the second Newton’s law. This first approach for the DEM has obtained excellent results for granular media simulations or another discontinuouslike case. The existing challenge nowadays for the DEM is to be able to simulate the behaviour on a continuous media discretized by a mesh of particles ruled by the equations of the DEM. Although there exist more adequate methods to solve the continuous problem as they are the different variants of the Finite Element Method, the DEM is expected to have a better behaviour when the failure of the media occurs; in terms of tracking the evolution of the fracture locally between the elements of the discretization and also the post-fractural behaviour of the material. Nowadays, there are several DEM codes that try to solve this problem although there is no one which can assure an accurate solution applicable universally to any case. The objective of the present work is to develop calculation software for the Discrete Element Method included in the platform for numerical methods KRATOS, which is developed in CIMNE. One of the goals of the so-called DEM-Application is to be able to reproduce a wide set of engineering problems; not only the discrete ones such as the excavation or agroalimentary applications but also to reproduce the continuous media, simulating compression test for concrete or asphalt samples for instance. In addition it is desired that the application permits the coupling with another methods, particularly the Finite Element Method.[CATALÀ] El Mètode dels Elements Discrets és un mètode relativament nou el qual avui dia és objecte d’una intensa recerca en el món dels mètodes numèrics. Originalment el mètode fou concebut per a la simulació de sistemes dinàmics de partícules on cada element és considerat com a entitat independent i indeformable que interacciona amb les altres seguint les lleis del contacte mecànic i es mou segons la segona llei de Newton. Aquest primer plantejament sobre el M.E.D. a tingut molts bons resultats per a simulacions de medis granulars o qualsevol assimilable a un medi discontinu. El repte actual per al DEM és ésser capaç de simular també el comportament d’un medi continu discretitzat per una malla de partícules que interaccionin segons les lleis del M.E.D. Tot i existir mètodes molt més adequats a resoldre aquest problema com son les variants del Mètode dels Elements Finits, el M.E.D. promet tenir un millor comportament a l’hora de seguir l’evolució de la fractura a nivell local entre els elements de la discretització i el comportament post fracturat del material. Actualment, existeixen molts programes de Elements Discrets que intenten resoldre aquest problema sense haver-n’hi cap que asseguri una solució acurada aplicable a nivell universal i amb versatilitat. L’objectiu de la tesina és desenvolupar un programa de càlcul d’Elements Discrets inclòs en la plataforma per mètodes numèrics KRATOS, desenvolupada al CIMNE. Un dels objectius de l’anomenada DEM-Application és poder reproduir un ampli conjunt de problemes d'enginyeria; no tan sols els que són merament “discrets” com el medis granulars, tal i com poden ser l’excavació o aplicacions agroalimentàries, sinó també la simulació del medi continu, com ara reproduir provetes de formigó, asfalt, etc. Paral·lelament es desitja que l’aplicació permeti el càlcul acoblat amb altres mètodes, en particular amb el Mètode dels Elements Finits. Per dur-ho a terme, en la tesina, s’ha estudiat tot el conjunt d’avenços i idees que, en el món dels mètodes numèrics a nivell global i a CIMNE en particular, es plantegen per donar altres punts de vista, millorar i continuar desenvolupant el Mètode dels Elements Discrets

Modelització del medi continu mitjançant el Mètode dels Elements Discrets. Teoria i implementació en una plataforma de programació orientada a objectes

[ANGLÈS] The Discrete Element Method is a relatively new technique that has nowadays and intense research in the field of numerical methods. In its first conception, the method was designed for simulations of dynamic system of particles where each element is considered to be an independent and non deformable entity that interacts with other particles by the laws of the contact mechanics and moves following the second Newton’s law. This first approach for the DEM has obtained excellent results for granular media simulations or another discontinuouslike case. The existing challenge nowadays for the DEM is to be able to simulate the behaviour on a continuous media discretized by a mesh of particles ruled by the equations of the DEM. Although there exist more adequate methods to solve the continuous problem as they are the different variants of the Finite Element Method, the DEM is expected to have a better behaviour when the failure of the media occurs; in terms of tracking the evolution of the fracture locally between the elements of the discretization and also the post-fractural behaviour of the material. Nowadays, there are several DEM codes that try to solve this problem although there is no one which can assure an accurate solution applicable universally to any case. The objective of the present work is to develop calculation software for the Discrete Element Method included in the platform for numerical methods KRATOS, which is developed in CIMNE. One of the goals of the so-called DEM-Application is to be able to reproduce a wide set of engineering problems; not only the discrete ones such as the excavation or agroalimentary applications but also to reproduce the continuous media, simulating compression test for concrete or asphalt samples for instance. In addition it is desired that the application permits the coupling with another methods, particularly the Finite Element Method.[CATALÀ] El Mètode dels Elements Discrets és un mètode relativament nou el qual avui dia és objecte d’una intensa recerca en el món dels mètodes numèrics. Originalment el mètode fou concebut per a la simulació de sistemes dinàmics de partícules on cada element és considerat com a entitat independent i indeformable que interacciona amb les altres seguint les lleis del contacte mecànic i es mou segons la segona llei de Newton. Aquest primer plantejament sobre el M.E.D. a tingut molts bons resultats per a simulacions de medis granulars o qualsevol assimilable a un medi discontinu. El repte actual per al DEM és ésser capaç de simular també el comportament d’un medi continu discretitzat per una malla de partícules que interaccionin segons les lleis del M.E.D. Tot i existir mètodes molt més adequats a resoldre aquest problema com son les variants del Mètode dels Elements Finits, el M.E.D. promet tenir un millor comportament a l’hora de seguir l’evolució de la fractura a nivell local entre els elements de la discretització i el comportament post fracturat del material. Actualment, existeixen molts programes de Elements Discrets que intenten resoldre aquest problema sense haver-n’hi cap que asseguri una solució acurada aplicable a nivell universal i amb versatilitat. L’objectiu de la tesina és desenvolupar un programa de càlcul d’Elements Discrets inclòs en la plataforma per mètodes numèrics KRATOS, desenvolupada al CIMNE. Un dels objectius de l’anomenada DEM-Application és poder reproduir un ampli conjunt de problemes d'enginyeria; no tan sols els que són merament “discrets” com el medis granulars, tal i com poden ser l’excavació o aplicacions agroalimentàries, sinó també la simulació del medi continu, com ara reproduir provetes de formigó, asfalt, etc. Paral·lelament es desitja que l’aplicació permeti el càlcul acoblat amb altres mètodes, en particular amb el Mètode dels Elements Finits. Per dur-ho a terme, en la tesina, s’ha estudiat tot el conjunt d’avenços i idees que, en el món dels mètodes numèrics a nivell global i a CIMNE en particular, es plantegen per donar altres punts de vista, millorar i continuar desenvolupant el Mètode dels Elements Discrets

Projecte d'urbanització Els Panyos Nord

L’objecte del present projecte és el de definir i valorar les obres d’urbanització corresponents al projecte complementari d’urbanització del Pla Especial Els Panyos Nord de Manresa. L’àmbit del sector està situat entre el carrer Francesc Moragues, el carrer Font dels Panyos, l’àmbit del riu Cardener i el sector Els Panyos Sud. Es projecten les obres a realitzar a tot l’àmbit d'aquest sector i la seva connexió amb el riu Cardener mitjançant una rampa i unes escales que permeten accedir a l’àmbit del riu des del sector

Numerical techniques for non-linear analysis of structures combining discrete element and finite element methods

This works encompasses a broad review of the basic aspects of the Discrete Element Method for its application to general granular material handling problems with special emphasis on the topics of particle-structure interaction and the modelling of cohesive materials. On the one hand, a special contact detection algorithm has been developed for the case of spherical particles representing the granular media in contact with the finite elements that discretize the surface of rigid structures. The method, named Double Hierarchy Method, improves the existing state of the art in the field by solving the problems that non-smooth contact regions and multi contact situations present. This topic is later extended to the contact with deformable structures by means of a coupled DE-FE method. To do so, a special procedure is described aiming to consistently transfer the contact forces, which are first calculated on the particles, to the nodes of the FE representing the solids or structures. On the other hand, a model developed by Oñate et al. for the modelling of cohesive materials with the DEM is numerically analysed to draw some conclusions about its capabilities and limitations. In parallel to the theoretical developments, one of the objectives of the thesis is to provide the industrial partner of the doctoral programme, CITECHSA, a computer software called DEMPack (www.cimne.com/dem/) that can apply the coupled DE-FE procedure to real engineering projects. One of the remarkable applications of the developments in the framework of the thesis has been a project with the company Weatherford Ltd. involving the simulation of concrete-like material testing. The thesis is framed within the first graduation (2012-2013) of the Industrial Doctorate program of the Generalitat de Catalunya. The thesis proposal comes out from the agreement between the company CITECHSA and the research centre CIMNE from the Polytechnical University of Catalonia (UPC).Aquest treball comprèn una àmplia revisió dels aspectes bàsics del Mètode dels Elements Discrets (DEM) per a la seva aplicació genèrica en problemes que involucren la manipulació i transport de material granular posant èmfasi en els temes de la interacció partícula-estructura i la simulació de materials cohesius. Per una banda, s'ha desenvolupat un algoritme especialitzat en la detecció de contactes entre partícules esfèriques que representen el medi granular i els elements finits que conformen una malla de superfície en el modelatge d'estructures rígides. El mètode, anomenat "Double Hierarchy Method", suposa una millora en l'estat de l'art existent al solucionar els problemes que deriven del contacte en regions de transició no suau i en casos amb múltiples contactes. Aquest tema és posteriorment estès al contacte amb estructures deformables per mitjà de l'acoblament entre el DEM i el Mètode dels Elements Finits (FEM) el qual governa la solució de mecànica de sòlids en l'estructura. Per a fer-ho, es descriu un procediment pel qual les forces de contacte, que es calculen en les partícules, es transfereixen de forma consistent als nodes que formen part de l'estructura o sòlid en qüestió. Per altra banda, un model desenvolupat per Oñate et al. per a modelar materials cohesius mitjançant el DEM és analitzat numèricament per tal d'extreure conclusions sobre les seves capacitats i limitacions. En paral·lel als desenvolupaments teòrics, un dels objectius de la tesi és proveir al partner industrial del programa doctoral, CITECHSA, d'un software anomenat DEMpack (http://www.cimne.com/dem/) que permeti aplicar l'acoblament DEM-FEM en projectes d'enginyeria reals. Una de les aplicacions remarcables dels desenvolupaments en el marc de la tesis ha estat un projecte per l'empresa Weatherford Ltd. que involucra la simulació de tests en provetes de materials cimentosos tipus formigó. Aquesta tesis doctoral s'emmarca en la primera promoció (2012-2013) del programa de Doctorats Industrials de la Generalitat de Catalunya. La proposta de tesi prové de l'acord entre l'empresa CITECHSA i el centre de recerca CIMNE de la Universitat Politècnica de Catalunya (UPC).Postprint (published version

Modelització del medi continu mitjançant el Mètode dels Elements Discrets. Teoria i implementació en una plataforma de programació orientada a objectes

[ANGLÈS] The Discrete Element Method is a relatively new technique that has nowadays and intense research in the field of numerical methods. In its first conception, the method was designed for simulations of dynamic system of particles where each element is considered to be an independent and non deformable entity that interacts with other particles by the laws of the contact mechanics and moves following the second Newton’s law. This first approach for the DEM has obtained excellent results for granular media simulations or another discontinuouslike case. The existing challenge nowadays for the DEM is to be able to simulate the behaviour on a continuous media discretized by a mesh of particles ruled by the equations of the DEM. Although there exist more adequate methods to solve the continuous problem as they are the different variants of the Finite Element Method, the DEM is expected to have a better behaviour when the failure of the media occurs; in terms of tracking the evolution of the fracture locally between the elements of the discretization and also the post-fractural behaviour of the material. Nowadays, there are several DEM codes that try to solve this problem although there is no one which can assure an accurate solution applicable universally to any case. The objective of the present work is to develop calculation software for the Discrete Element Method included in the platform for numerical methods KRATOS, which is developed in CIMNE. One of the goals of the so-called DEM-Application is to be able to reproduce a wide set of engineering problems; not only the discrete ones such as the excavation or agroalimentary applications but also to reproduce the continuous media, simulating compression test for concrete or asphalt samples for instance. In addition it is desired that the application permits the coupling with another methods, particularly the Finite Element Method.[CATALÀ] El Mètode dels Elements Discrets és un mètode relativament nou el qual avui dia és objecte d’una intensa recerca en el món dels mètodes numèrics. Originalment el mètode fou concebut per a la simulació de sistemes dinàmics de partícules on cada element és considerat com a entitat independent i indeformable que interacciona amb les altres seguint les lleis del contacte mecànic i es mou segons la segona llei de Newton. Aquest primer plantejament sobre el M.E.D. a tingut molts bons resultats per a simulacions de medis granulars o qualsevol assimilable a un medi discontinu. El repte actual per al DEM és ésser capaç de simular també el comportament d’un medi continu discretitzat per una malla de partícules que interaccionin segons les lleis del M.E.D. Tot i existir mètodes molt més adequats a resoldre aquest problema com son les variants del Mètode dels Elements Finits, el M.E.D. promet tenir un millor comportament a l’hora de seguir l’evolució de la fractura a nivell local entre els elements de la discretització i el comportament post fracturat del material. Actualment, existeixen molts programes de Elements Discrets que intenten resoldre aquest problema sense haver-n’hi cap que asseguri una solució acurada aplicable a nivell universal i amb versatilitat. L’objectiu de la tesina és desenvolupar un programa de càlcul d’Elements Discrets inclòs en la plataforma per mètodes numèrics KRATOS, desenvolupada al CIMNE. Un dels objectius de l’anomenada DEM-Application és poder reproduir un ampli conjunt de problemes d'enginyeria; no tan sols els que són merament “discrets” com el medis granulars, tal i com poden ser l’excavació o aplicacions agroalimentàries, sinó també la simulació del medi continu, com ara reproduir provetes de formigó, asfalt, etc. Paral·lelament es desitja que l’aplicació permeti el càlcul acoblat amb altres mètodes, en particular amb el Mètode dels Elements Finits. Per dur-ho a terme, en la tesina, s’ha estudiat tot el conjunt d’avenços i idees que, en el món dels mètodes numèrics a nivell global i a CIMNE en particular, es plantegen per donar altres punts de vista, millorar i continuar desenvolupant el Mètode dels Elements Discrets

Kratos Dem, a paralel code for concrete testing simulations using the discrete element method

This dissertation is the result of the implementation of a Discrete Element Method code in an open source object-oriented software platform called Kratos developed in CIMNE (Barcelona). After the introduccion and the objectives, a brief review on the Discrete Element Method in its basic conception is presented in the third chapter of the document while the theoretical developments and discussions for the application of the method to continous media, specially to conctrete testing simulation, can be found in the fourth chapter. Also here, special attention is paid to the capabilities of this method when it is applied to continuous media; several numerical analisis are performed here to show the possibilities and limitations of the method in the fifth chapter. In the sixth chapter, the Kratos framework is introduced and the basic structure of the developed application is explained. The implementation of the utilities that permit, from a user-friendly interface, perform concrete test simulations can be found here. Furthermore, the possibilities and advatages that the Kratos framework provides the DEM-Application are shown as well as examples of how the code behaves in terms of High Performance Computing. Additionally, examples of coupling of this application with other codes and work done by other researchers in the institution are here presented. In the seventh chapter, the results of the different concrete simulation tests can be found as a verification of the code comparing with the results obained by Dempack. Finally, in the last chapter some conclusions and future work is presented. The objective of the KDEM, in its conception, was to have a base program for the DEM coded in a very powerful and versatile platform, the open-source multiphysics code Kratos. This permits different researchers extending and improving the code as well as using as a closed package for projects and simulation by advanced users and engineers. Previous to this, in CIMNE, another code based on the Discrete Element Method has been used for engineering projects, Dempack. When the KDEM code started the purpose was to provide CIMNE a general DEM application able to be parallelized and to be combined with other fluid or structure applications. At the same time, a lot of implementation has been done in order to substitute, and improve if possible, the existing code Dempack; part of this thesis focuses on the concrete test simulation, a field where CIMNE has currently projects ongoing. The result of this work accomplishes the objective of providing Kratos a general purpose paralelizable Discrete Element Method application which is the of the interest of CIMNE. In a second term, it presents the first promising results in the field of Concrete Test Simulation, following the objective of substituing in the future, the existing application, Dempack

Kratos Dem, a paralel code for concrete testing simulations using the discrete element method

This dissertation is the result of the implementation of a Discrete Element Method code in an open source object-oriented software platform called Kratos developed in CIMNE (Barcelona). After the introduccion and the objectives, a brief review on the Discrete Element Method in its basic conception is presented in the third chapter of the document while the theoretical developments and discussions for the application of the method to continous media, specially to conctrete testing simulation, can be found in the fourth chapter. Also here, special attention is paid to the capabilities of this method when it is applied to continuous media; several numerical analisis are performed here to show the possibilities and limitations of the method in the fifth chapter. In the sixth chapter, the Kratos framework is introduced and the basic structure of the developed application is explained. The implementation of the utilities that permit, from a user-friendly interface, perform concrete test simulations can be found here. Furthermore, the possibilities and advatages that the Kratos framework provides the DEM-Application are shown as well as examples of how the code behaves in terms of High Performance Computing. Additionally, examples of coupling of this application with other codes and work done by other researchers in the institution are here presented. In the seventh chapter, the results of the different concrete simulation tests can be found as a verification of the code comparing with the results obained by Dempack. Finally, in the last chapter some conclusions and future work is presented. The objective of the KDEM, in its conception, was to have a base program for the DEM coded in a very powerful and versatile platform, the open-source multiphysics code Kratos. This permits different researchers extending and improving the code as well as using as a closed package for projects and simulation by advanced users and engineers. Previous to this, in CIMNE, another code based on the Discrete Element Method has been used for engineering projects, Dempack. When the KDEM code started the purpose was to provide CIMNE a general DEM application able to be parallelized and to be combined with other fluid or structure applications. At the same time, a lot of implementation has been done in order to substitute, and improve if possible, the existing code Dempack; part of this thesis focuses on the concrete test simulation, a field where CIMNE has currently projects ongoing. The result of this work accomplishes the objective of providing Kratos a general purpose paralelizable Discrete Element Method application which is the of the interest of CIMNE. In a second term, it presents the first promising results in the field of Concrete Test Simulation, following the objective of substituing in the future, the existing application, Dempack