FALLA DE MATERIALES CUASI-FRÁGILES: SIMULACIONES NUMÉRICAS MEDIANTE MODELOS DE INTERFACES

Defensa de tesis doctoral, Resultados de proyectos de investigación

En esta conferencia el Dr. Caggiano presentará avances de sus investigaciones sobre la simulación numérica de materiales cuasi-frágiles mediante el utilizo de una serie de modelos de interfaz. El trabajo, realizado en gran parte en la Univeridad de Salerno (Italia) y en la Universidad Nacional de Tucuman (Argetnina), representa un gran parte de su trabajo de tesi doctoral.
Durante los últimos años el Dr. Caggiano ha venido desarrollando un modelo discontinuo para materiales cuasi-frágiles en el cual la modelización consiste básicamente en representar explícitamente la microestructura de primer nivel del material (a veces también llamada meso-estructura). La misma se caracteriza por la geometría y propiedades de sus componentes individuales. El análisis propuesto se basa en el uso de elementos de junta (o interfaz) de espesor nulo. Elementos de este tipo se introducen sistemáticamente en la malla entre elementos finitos standard, de modo que las posibles trayectorias de fisuras más significativas se encuentren incluidas a priori en dicha discretización. Los resultados iniciales obtenidos para hormigones y hormigones reforzados con fibras han permitido reproducir el comportamiento experimental para distintas situaciones de carga, tales como tracción, compresión uniaxial, flexión, etc. Posteriormente, el modelo se ha aplicado en otros materiales cuasifrágiles como estructuras de hormigón reforzadas externamente con FRP (placas de polímeros reforzados con fibras). En esta charla se mostraran todos los resultados obtenidos hasta ahora y la linea de investigacion que se entiende proseguir.
En esta conferencia ademas se mostrarán interesantes avances de un proyecto de investigación internacional (EnCoRe - http://www.encore-fp7.unisa.it/), confinanciamiento por la Comunidad Europea, que involucra distintas instituciones del país (UBA y UNT), junto con grupos científicos de la Universidad Federal de Rio de Janeiro (Brasil), de las Universidads de Salerno y Politecnico di Milano (Italia) y la Universidade do Minho (Portugal).

A. Caggiano and E.Martinelli. A unified formulation for simulating the bond behaviour of fibres in cementitious materials. Materials & Design, 42(0):204 – 213, 2012.

A. Caggiano, G. Etse, and E.Martinelli. Zero-thickness interfacemodel formulation for failure behavior of fiber-reinforced cementitious composites. Computers & Structures, 98-99(0):23 – 32, 2012.

A. Caggiano, E.Martinelli, and C. Faella. A fully-analytical approach for modelling the response of FRP plates bonded to a brittle substrate. Int. J. of Solids and Structures, 49(17):2291 – 2300, 2012.

MODELACIÓN NUMÉRICO-COMPUTACIONAL DEL COMPORTAMIENTO NO LOCAL DE MEDIOS POROSOS PARCIALMENTE SATURADOS A ESCALAS MÚLTIPLES

Defensa de tesis doctoral

En el presente trabajo, se propone una teoría no local basada en gradientes termodinámicamente consistente para simular numéricamente el complejo proceso de degradación de la resistencia mecánica en medios porosos cohesivos-friccionales parcialmente saturados.
La longitud interna característica en régimen de ablandamiento determina la sensibilidad del ancho de banda de localización en los medios porosos parcialmente saturados con respecto en función del estado tensional y de las condiciones hidráulicas gobernantes. De esta manera, la ubicación del punto de transición entre el modo de falla frágil y el dúctil puede ser identificado en forma realista dependiendo de la presión de confinamiento y nivel de saturación del medio.
Por otra parte, el problema de localización de deformaciones plásticas es estudiado mediante el análisis espectral de la condición de bifurcación discontinua en medios poroplásticos no locales basados en gradientes. Para evaluar la dependencia del punto de transición entre las formas de falla dúctil y frágil en término de las condiciones hidráulicas y el estado tensional, se deduce el tensor acústico de localización para ambas condiciones de borde hidráulicas, drenada y no drenada, basado en la teoría de propagación de la ondas en medios continuos.
En el presente trabajo se emplean dos modelos materiales para describir el comportamiento mecánico inelástico del suelo arcilloso y del hormigón joven, el Cam Clay modificado y criterio parabólico de Drucker-Prager, respectivamente. En este sentido, se presenta el análisis de localización de cada uno de los modelos materiales adoptados mostrando la influencia de la presión de poros y el grado de no asociatividad del modelo de material en la determinación del punto de transición entre las formas de falla frágil y dúctil.
Al estudiar los medios porosos, el efecto no local restringido a las variables internas introduce un nuevo concepto de la longitud interna característica, además se debe considerar la influencia de la fase porosa en el comportamiento constitutivo no local a través de una longitud interna característica nueva con respecto a la fase porosa, es decir, se presentan múltiples longitudes internas.
A continuación, con el fin de resolver el problema de valores de borde se propone una nueva formulación de elemento finito para simular numéricamente en forma objetiva el comportamiento de falla difusa y localizada en medios poroplásticos no locales basados en gradientes para, condiciones de saturación total o parcial. El elemento finito propuesto incluye funciones de interpolación con continuidad de primer orden (C1) para el campo de las variables internas, mientras que para los campos cinemáticos y de presión de poro se emplean las funciones de interpolación clásica de continuidad C0.
Los resultados numéricos de este trabajo permiten demostrar la capacidad de esta formulación de elemento finito para capturar los modos de falla difusos y localizados, en función de la presión de confinamiento y en el grado de saturación del medio poroso.

J.L. Mroginski and G. Etse “A FINITE ELEMENT FORMULATION OF GRADIENT-BASED PLASTICITY FOR POROUS MEDIA WITH C1 INTERPOLATION OF STATE VARIABLES” Computers and Geotechnics, Elsevier. Volume 49, pages 7-17, (2013).

J.L. Mroginski, G. Etse and S.M. Vrech “A THERMODYNAMICAL GRADIENT THEORY FOR DEFORMATION AND STRAIN LOCALIZATION OF POROUS MEDIA” International Journal of Plasticity. Elsevier. Volume 27, pages 620-634, (2011)

G. Etse and J.L. Mroginski “Failure predictions of partially saturated quasi brittle materials with a thermodynamically consistent gradient poroplastic theory” 12th U.S. National Congress on Computational Mechanics (USNCCM12) United States Association for Computational Mechanics. Raleigh, North Carolina July 22-25, 2013

GENERACIÓN DE TURBULENCIA EN LA ENTRADA DE DOMINIOS PARA LA APLICACIÓN DEL MÉTODO DE SIMULACIÓN DE GRANDES ESCALAS: APLICACIONES A PROBLEMAS DE INTERACCIÓN FLUIDO-ESTRUCTURA

Defensa de tesis doctoral

El método de simulación de grandes escalas (Large Eddy Simulation, LES) se ha convertido prácticamente en un método estándar para la resolución de las ecuaciones de Navier-Stokes (NS) en simulaciones de flujo turbulento. Esto se debe no solo a su probada exactitud y viabilidad sino también al crecimiento de la potencia de cálculo computacional experimentada en los útlimos años. Sin embargo, aún existe un número de cuestiones que son intensivamente estudiadas: estrategias de generación de mallas, condiciones de borde y de ingreso en dominios, modelos de escala de subgrilla (subgrid-scale, SGS), entre otros, con el objetivo de ampliar el conjunto problemas que pueden ser resueltos mediante el método LES o para reducir el costo computacional involucrado.
Este escenario se complica aún más en fenómentos que involucran la interacción fluido-estructura (fluid-structure interaction, FSI): el algoritmo de acoplamiento y la estrategia de movimiento de la malla deben ser definidas para cada problema. Un área particular del conocimiento donde la Dinámica de Fluidos Computacional (Computational Fluid Dynamics, CFD) y la FSI se encuentran es en el estudio de la aerodinámica de vehículos de carretera. Hasta hace poco tiempo (e incluso actualmente) se ha elegido al análisis experimental por sobre la simulación numérica en este tipo de problemas dada la gran confiabilidad ganada por los túneles de viento. Sin embargo, esta herramienta computacional también posee deficiencias que pueden corregirse e incluso puntos fuertes que pueden mejorarse mediante el empleo de la simulación numérica.
El objetivo de esta charla es la de describir la aplicación del método LES en la aerodinámica de vehículos de carretera incluyendo la generación de turbulencia en la entrada de dominios y la interacción fluido-estructura. Se presenta la simulación de un flujo turbulento sobre un modelo simplificado de vehículo conocido como "cuerpo de Ahmed".

Hugo G. Castro, Rodrigo R. Paz "A time and space correlated turbulence synthesis method for Large Eddy Simulations". Journal of Computational Physics 235, pp. 742-763. (2013)

Rodrigo R. Paz, Mario A. Storti, Lisandro D. Dalcin, Hugo G. Castro, Pablo A. Kler "FastMat: A C++ library for multi-index array computations". Advances in Engineering Software 54, pp. 38-48 (2012)

Rodrigo R. Paz, Mario A. Storti, Hugo G. Castro, Lisandro D. Dalcin "Using Hybrid Parallel Programming Techniques for the Computation, Assembly and Solution Stages in Finite Element Codes". Latin American Applied Research 41, pp. 365-377 (2011)

SOBRE EL TRATAMIENTO MATEMÁTICO DE PROBLEMAS GEOMECÁNICOS MULTIFÁSICOS

Avances en plan de tesis doctoral

El objetivo principal del presente trabajo es presentar un marco matemático para el modelado multifásico del proceso de consolidacion de suelos con transporte de contaminantes basados en configuraciones de estados de tensiones, haciendo énfasis en sus condiciones de versatilidad.
Si bien los modelos matemáticos para la solución de consolidación de medios porosos representan un tema ampliamente estudiado en mecánica computacional moderna, en el presente trabajo se ponen en consideración dos innovaciones en la descomposición de estado de esfuerzos: la adición de una fase de contaminantes inmiscibles con el sistema de tres fases descriptas en trabajos anteriores y la introducción de una función simple ponderada que permiten utilizar la curva característica succión-saturación de cada componente individual en lugar de utilizar una curva de mezcla de fluidos. Este enfoque matemático mejorado, además de abarcar una amplia gama de problemas de consolidación isotérmica, hereda la ductilidad del modelo de tres fases anteriormente desarrollado por Di Rado et al. (2009) que permite una reducción directa a otros sistemas más restrictivos, pudiendo ser entendido como una aplicación de la ley de Darcy para medios porosos con flujo multifásico.
Este escenario se complica aún más en fenómentos que involucran la interacción fluido-estructura (fluid-structure interaction, FSI): el algoritmo de acoplamiento y la estrategia de movimiento de la malla deben ser definidas para cada problema. Un área particular del conocimiento donde la Dinámica de Fluidos Computacional (Computational Fluid Dynamics, CFD) y la FSI se encuentran es en el estudio de la aerodinámica de vehículos de carretera. Hasta hace poco tiempo (e incluso actualmente) se ha elegido al análisis experimental por sobre la simulación numérica en este tipo de problemas dada la gran confiabilidad ganada por los túneles de viento. Sin embargo, esta herramienta computacional también posee deficiencias que pueden corregirse e incluso puntos fuertes que pueden mejorarse mediante el empleo de la simulación numérica.
El objetivo de esta charla es la de describir la aplicación del método LES en la aerodinámica de vehículos de carretera incluyendo la generación de turbulencia en la entrada de dominios y la interacción fluido-estructura. Se presenta la simulación de un flujo turbulento sobre un modelo simplificado de vehículo conocido como "cuerpo de Ahmed".

Pablo A. Beneyto, H. Ariel Di Rado, Javier L. Mroginski, Armando M. Awruch "A versatile mathematical approach for environmental geo-mechanic modelling based on stress state decomposition" Applied Mathematical Modelling (under review)

Pablo A. Beneyto, H. Ariel Di Rado, Javier L. Mroginski and Armando M. Awruch “A mathematical approach for environmental geomechanic modelling” XXXI Iberian-Latin-American Congress on Computational Methods in Engineering (CILAMCE 2010), Eds.: E.N. Dvorkin, M.B. Goldschmit and M.A. Storti - Buenos Aires, November 15th to 18th, 2010