Experimental and numerical fracture tests in concrete. Towards the Virtual Laboratory

Este trabajo describe una metodología de cálculo para evaluar la rotura de piezas y estructuras de hormigón y su aplicación a cuatro ensayos típicos en laboratorios de resistencia de materiales. Los resultados de los ensayos son comparados y analizados desde el punto de vista experimental y numérico a fin de poner de manifiesto la necesidad de que los ensayos experimentales se basen en resultados numéricos, y en contrapartida que los modelos numéricos sigan fielmente el comportamiento y la física que ocurre en los experimentos de laboratorio. Esta comparativa permite explicar los mecanismos que ocurren a lo largo del experimento y también verificar la integridad e idoneidad del código de cálculo y del modelo numérico a utilizar.This paper describes a computation methodology to evaluate the ultimate strength and fracture of concrete samples and structures and its application to four typical tests of experimental laboratories of strength of materials. The tests results are compared and analysed from the experimental and numerical points of view in order to highlight the need for experimental trials to use the information derived from numerical results and, in turn, to validate that numerical models follow the behaviour and physics that occur in laboratory tests This comparison allows to explain the different mechanisms that occur throughout the experiments.Peer Reviewe

A three-dimensional FEM–DEM technique for predicting the evolution of fracture in geomaterials and concrete

This paper extends to three dimensions (3D), the computational technique developed by the authors in 2D for predicting the onset and evolution of fracture in a finite element mesh in a simple manner based on combining the finite element method and the discrete element method (DEM) approach (Zárate and Oñate in Comput Part Mech 2(3):301–314, 2015). Once a crack is detected at an element edge, discrete elements are generated at the adjacent element vertexes and a simple DEM mechanism is considered in order to follow the evolution of the crack. The combination of the DEM with simple four-noded linear tetrahedron elements correctly captures the onset of fracture and its evolution, as shown in several 3D examples of application.Postprint (author's final draft

A new strategy for the vulnerability study of buildings exposed to open-airexplosions

En este artículo se describe una nueva metodología para evaluar el efecto de las explosiones a cielo abierto sobre estructuras equivalentes a las fachadas de los edificios. El daño sufrido por la estructura se define mediante superficies de vulnerabilidad que son función de la magnitud de la explosión, la distancia de esta a la estructura y del índice de daño por detonación desarrollado en este artículo. El índice propuesto considera la degradación de la capacidad de carga de la estructura, la fracturación y la perdida de material debido a la explosión. Para ello, la estructura se modela mediante elementos discretos (DEM) los cuales permiten representar adecuadamente estados de multifractura. La capacidad de carga de la estructura se cuantifica mediante un ensayo virtual sobre la estructura dañada. Las fuerzas provocadas sobre la estructura por la explosión se modelan utilizando una metodología semiempírica, lo que permite obviar el análisis con base en la dinámica de fluidos reduciendo el tiempo de cálculo.In this paper, a new methodology is described to evaluate the effect of open air explosions on equivalent structures to the facades of buildings. The structural damage is defined by vulnerability surfaces that are a function of the explosion magnitude, the distance to the structure and the detonation damage index developed in this article. The proposed index considers the structural load capacity degradation, the fracturing and the loss material due to the explosion. The structure is modeled by means of discrete elements (DEM) which allows describing the multifracturing state. The load capacity of the structure is quantified by a virtual compression test on the damaged structure. The forces on the structure caused by the explosion are modeled by a semi-empirical methodology, which avoids the fluid-dynamic analysis and reduces the computation time.Peer Reviewe

Modelling and simulation of the effect of blast loading on structures using an adaptive blending of discrete and finite element methods

We present a new computational model for predicting the effect of blast loading on structures. The model is based in the adaptive coupling of the finite element method (FEM) and the discrete element method (DEM) for the accurate reproduction of multifracturing and failure of structures under blast loading. In the paper we briefly describe the basis of the coupled DEM/FEM technology and demonstrate its efficiency in its application to the study of the effect of blast loading on a masonry wall, a masonry tunnel and a double curvature dam.Postprint (published version

Applying evolution strategies to the optimization of fluid-solid interaction problems

Se investiga la utilidad de las Estrategias Evolutivas en la optimización de un problema que requiere el análisis por el método de elementos finitos de un sólido junto con un fluido en movimiento. El problema consiste en la minimización del peso de una lámina sujeta al paso del aire a través de un conducto cerrado. El problema presentado tiene el interés de ser multidisciplinario, con esquemas de integración y acoplamiento entre formulaciones muy distintas y con una extensión directa a problemas de ingeniería estructural, mecánica y aeronáutica.Peer Reviewe

Red Aulas CIMNE: espacios de colaboración en temas docentes y de I+D en distintas universidades, empresas y centros de investigación de diversos países

La mayoría de los avances de I+D que hoy en día se producen quedan limitados en función de necesidades locales. La causa principal es la falta de medios para proyectar la I+D hacia entornos donde pueda ser exitosamente adaptada y aplicada, es decir, un medio que gestione, desarrolle y divulgue el I+D en un entorno internacional. La Red Aulas CIMNE surgió en el año 1999 como un medio para la agrupación, integración, desarrollo y divulgación de nuevos conocimientos y aplicaciones de Análisis Numérico. La Red Aulas CIMNE tiene un perfil internacional en el cual docentes, estudiantes e industriales se benefician a través de formación, capacitación, software, proyectos, intercambios, etc. Un Aula CIMNE es un espacio de colaboración, de temas docentes y de I+D, creado conjuntamente por CIMNE y uno o varios centros, departamentos universitarios y/o empresas. El objetivo es la promoción de actividades de formación de grado y postgrado, así como el desarrollo de proyectos de investigación básica y de transferencia de tecnología en colaboración con empresas. Actualmente existen 13 Aulas CIMNE, las cuales se encuentran distribuidas en: España, México, Brasil, Argentina, Chile, Colombia y Cuba.Postprint (published version

Robust Design Optimization applied to aeronautics combining stochastic calculus with evolutionary algoritms

Las incertidumbres son un problema cotidiano en la ingeniería aeroespacial y en sus aplicaciones. Los métodos de optimización robusta utilizan, normalmente, y para asegurar la robustez de las soluciones, la generación aleatoria de los valores con incertidumbres así como criterios de selección multi-punto para la determinación del óptimo. Desde un punto de vista computacional, la aplicación a problemas de fluido-dinámica (CFD) o interacción fluido-estructura (FSI) puede ser extremadamente cara. Este trabajo presenta el acoplamiento entre el cálculo estocástico y los algoritmos evolutivos para la definición de un procedimiento de optimización robusta. Se propone, en primer lugar, una metodología para el cálculo estocástico, que a continuación se aplica a la solución de problemas de optimización. Estos métodos propuestos se han aplicado a dos tipos de problemas; un problema de CFD y otro de FSI orientados a la reducción de la resistencia aerodinámica y del fenómeno de estabilidad estructural conocido por «flutter», respectivamente.Uncertainties are a daily issue to deal with in aerospace engineering and applications. Robust optimization methods commonly use a random generation of the inputs and take advantage of multi-point criteria to look for robust solutions accounting with uncertainty definition. From the computational point of view, the application to coupled problems, like fluid-dynamics (CFD) or fluid-structure interaction (FSI), can be extremely expensive. This work presents a coupling between stochastic analysis techniques and evolutionary optimization algorithms for the definition of a stochastic robust optimization procedure. At first, a stochastic procedure is proposed to be applied into optimization problems. The proposed method has been applied to both CFD and FSI problems for the reduction of drag and flutter, respectively.Peer Reviewe

Combination of an adaptive remeshing technique with a coupled FEM–DEM approach for analysis of crack propagation problems

The final publication is available at Springer via http://dx.doi.org/10.1007/s40571-019-00306-4This paper presents an enhanced coupled approach between the finite element method (FEM) and the discrete element method (DEM) in which an adaptive remeshing technique has been implemented. The remeshing technique is based on the computation of the Hessian of a selected nodal variable, i.e. the mesh is refined where the curvature of the variable field is greater. Once the Hessian is known, a metric tensor is defined node-wise that serves as input data for the remesher (MmgTools) that creates a new mesh. After remeshing, the mapping of the internal variables and the nodal values is performed and a regeneration of the discrete elements on the crack faces of the new mesh is carried out. Several examples of fracturing problems using the enhanced FEM–DEM formulation are presented. Accurate results in comparison with analytical and experimental solutions are obtained.This work has been supported by the Spanish Government program FPU: FPU16/02697. The authors gratefully acknowledge the received support.Peer ReviewedPostprint (author's final draft

Introduction to the finite element method

2019/202

Discrete element modelling of rock cutting processes interaction with evaluation of tool wear

The document presents a numerical model of rocks and soils using spherical Discrete Elements, also called Distinct Elements. The motion of spherical elements is described by means of equations of rigid body dynamics. Explicit integration in time yields high computational efficiency. Spherical elements interact among one another with contact forces, both in normal and tangential directions. Efficient contact search scheme based on the octree structures has been implemented. Special constitutive model of contact interface taking into account cohesion forces allows us to model fracture and decohesion of materials. Numerical simulation predicts wear of rock cutting tools. The developed numerical algorithm of wear evaluation allows us us to predict evolution of the shape of the tool caused by wear. Results of numerical simulation are validated by comparison with experimental data.Postprint (published version