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Numerical modeling of reinforcement solutions in traditional stone masonry using a particle model
Traditional stone masonry walls are structural elements in most historic build-ings. To preserve them and improve their ability to withstand extreme events, such asearthquakes, it is necessary to implement effective reinforcement solutions. This paperpresents the modeling of traditional Portuguese rubble stone masonry walls, reinforcedwith external steel mesh, sprayed micro-concrete layers and transverse confinement bysteel connectors, which were developed and tested experimentally in uniaxial compression.The modeling is carried out using micro-modeling through a 2D particle model (PM).The process of calibrating the properties of both micro-concrete and concrete is presented,the methodology for generating the numerical models is described and the numericalresponse is compared with the experimental results. The numerical results show thatthe PM can adequately reproduce the experimentally observed behavior of this type ofreinforcement solution.
Year: 2025
Number Pages:
25p..
Author(s): Azevedo, N.; Cismasiu, I.; Pinho, F.; Neves, F.
: Buildings
Editor: MDP
Keywords: particle model; numerical modeling; uniaxial compression tests; micro-concrete layer; strengthening solution; traditional stone masonry walls
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A contact-based constitutive model for the numerical analysis of masonry structures using the distinct element method
This study presents a robust contact constitutive model in the distinct element method (DEM) framework for simulating the mechanical behavior of masonry structures. The model is developed within the block-based modeling strategy, where the masonry unit is modeled as deformable blocks with potential crack surfaces in the middle of the bricks, while the mortar joints are defined as zero-thickness interfaces. The modeling strategy implements multi-surface plasticity with damage mechanics, including a tension cut-off, Coulomb failure criterion, and an elliptical compressive cap for the damage in tension, shear, and compression, respectively. Two new features are introduced in this contact model: a piecewise linear softening function for strength degradation in tension and shear and a hardening/softening function to phenomenologically define the compressive damage of masonry composite into the unit-mortar interface. The constitutive model is implemented in commercial DEM software using the small displacement configuration and validated against material and experimental tests on masonry walls subjected to constant pre-compression and monotonically increasing in-plane load. The experimental and numerical results regarding the force-displacement relationship and damage pattern produced by the proposed constitutive model are compared and critically discussed, demonstrating the capability of DEM coupled with the suitable constitutive law in simulating the behavior of masonry structures.
Year: 2024
Author(s): Oktiovan, Y.; Messali, F.; Pulatsu, B.; Lemos, J. V.; Rots, J.
: Computers and Structures
Editor: Elsevier
Volume:
303 (2024) 107499.
Keywords: Masonry
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Assessment of contact laws accounting for softening in 3D rigid concrete particle models
o obtain predictions closer to concrete behaviour, it is necessary to employ a particle model(PM) that considers contact softening. A bilinear softening contact model (BL) has been adoptedin PM studies. Several limitations in PM predictions have been identified that may be due to BLassumptions. For this reason, this paper compares BL predictions with those obtained with morecomplex models to assess if PM predictions can be improved. As shown, it is possible to calibrateeach contact model to reproduce the complex behaviour observed in concrete in uniaxial and biaxialloading. The predicted responses are similar, and the known PM limitations still occur independentlyof the adopted model. Under biaxial loading, it is shown that a response closer to that observed inconcrete can be obtained (higher normal-to-stiffness ratio of
Year: 2024
Number Pages:
29p..
Author(s): Azevedo, N.; Braga Farinha, M. L.; Oliveira, S.
: Buildings
Editor: MDPI
Volume:
14.
Keywords: concrete fracture; contact softening laws; discrete element; particle model
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Collapse of the Dharahara Tower During the April 25, 2015 Nepal Earthquake: A New Interpretation Based on Video-Camera Footage
Among the various important monuments impacted by the April 25, 2015 Mw7.8 Nepal earthquake, the Dharahara Tower located in Kathmandu suffered complete collapse. The collapse of the tower, a slender 60-meter-high old brick masonry structure with an almost cylindrical hollow shape, was captured by a low-quality video camera, which nonetheless helped to identify the critical moments. Initially, the tower descended more than 10 meters vertically after a rupture at the base. After a few seconds, it overturned, disintegrating upon impact on the ground. At a distance of 1.3 km, an accelerometric station recorded the strong motion which was used as input of a discrete element model of the structure. Mechanical properties were taken from lab tests made on similar building materials. The Dharahara Tower had previously been analysed by other researchers using various methods. However, since they were apparently not aware of the mechanism observed in the video footage, their collapse models do not agree with this new evidence. For the initial phase of the collapse the present model explains with great accuracy the observations of the video footage, but the final phase is dependent on various details, and modelling is not so robust.
Year: 2024
Author(s): Lemos, J. V.; Oliveira, C.S.; Rupakhety, R.
: International Journal of Architectural Heritage
Editor: Taylor&Francis
Volume:
2024.
Keywords: masonry tower
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Damping models for dynamic analysis of masonry vaults with discrete elements
Discrete element block models provide a suitable tool for the numerical analysis of masonry structures, particularly apt to represent the nonlinear response governed by shearing and separation along the structure
Year: 2024
Author(s): Lemos, J. V.
: Int. J. Masonry Research and Innovation
Editor: Inderscience
Volume:
Vol. 9, Nos. 5/6, pp.430
Keywords: masonry
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Exploring the Cyclic Behaviour of URM Walls with and without Damp-Proof Course (DPC) Membranes through Discrete Element Method
The unreinforced masonry (URM) walls are the common load-bearing structural elements in most existing buildings, consisting of masonry units (bricks) and mortar joints. They indicate a highly nonlinear and complex behaviour when subjected to combined compression-shear load-ing influenced by different factors, such as pre-compression load and boundary conditions, among many others, which makes predicting their structural response challenging. To this end, the present study offers a discontinuum-based modelling strategy based on the discrete element method (DEM) to investigate the in-plane cyclic response of URM panels under different vertical pressures with and without a damp-proof course (DPC) membrane. The adopted modelling strategy represents URM walls as a group of discrete rigid block systems interacting along their boundaries through the contact points. A novel contact constitutive model addressing the elasto-softening stress-displacement behaviour of unit-mortar interfaces and the associated stiffness degradation in tension-compression regimes is adopted within the implemented discontinuum-based modelling framework. The proposed modelling strategy is validated by comparing a re-cent experimental campaign where the essential data regarding geometrical features, material properties and loading histories are obtained. The results show that while the proposed compu-tational modelling strategy can accurately capture the hysteric response of URM walls without the DPC membrane, it may underestimate the load-carrying capacity for URM walls with the DPC membrane.
Year: 2024
Author(s): Pulatsu, B.; Wilson, R.; Lemos, J. V.; Mojsilovic. N.
: Infrastructures
Editor: MDPI
Volume:
9(1), 11.
Keywords: Unreinforced masonry
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Quantification of the crack propagation and global failure mechanism of single- and multi-ring masonry arch bridges
This paper presents the development of a novel crack-based damage quantification method to assess the damage accumulation in masonry arch bridges subjected to externally applied loading. Initially, a damage index was proposed, considering the initiation and extension of tensile and sliding cracks. Then, the proposed damage indexing was adopted into a two-dimensional discrete element code of analysis to evaluate single and multi-ring masonry arch bridges. The numerical model was validated by comparing the computational outputs against the experimental results obtained from the literature. Following the validation, masonry arch bridge models were developed, featuring the four most representative bond configurations in arch barrels. Also, different bond properties were assigned to investigate their impact on the global failure characteristics of single- and multi-ring masonry arch bridges. From the analyses of results of the multi-ring masonry arch bridges investigated in this study, it was shown that the rapid growth of tensile cracks in radial joints and the occurrence of shear slippage in circumferential joints between adjacent rings were observed to be early signs for multi-ring bridges before the ultimate load reached. By analysing the correlation between the normalised damage index with the normalised load, damage accumulation in different masonry arch bridges were identified. This study offers a novel perspective on quantitively evaluating the damage accumulation and failure mechanism of masonry arch bridges and the findings may provide valuable insights into the assessment and management of existing masonry arch bridges.
Year: 2024
Author(s): Liu, B.; Sarhosis, V.; Lemos, J. V.
: Engineering Structures
Editor: Elsevier
Volume:
306 (2024) 117805.
Keywords: Masonry arch bridge
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Resposta sísmica não-linear de uma barragem abóbada com 300 m de altura. Avaliação da segurança estrutural. (SBP e SMP) para diferentes cotas de água
N/A
Year: 2024
Author(s): Oliveira, S.; Alegre, A.; Mendes, P.
Editor: RPEE
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The Role of Situatedness in Immersive Dam Visualization: Comparing Proxied with Immediate Approaches
N/A
Year: 2024
Author(s): Trindade,N.V.; Oliveira, S.; Ferreira, A.; Gonçalves, D.
Editor: Computers
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3D dem model simulation of asphalt mastics with sunflower oil
A three-dimensional particle model, based on the asphalt mastic micro-structure representation following a discrete element model framework, was developed to investigate the influence of sunflower oil (rejuvenator) on the rheological properties of asphalt mastic. Dynamic shear rheometer tests in laboratory, for a frequency range of 0.1
Year: 2023
Author(s): Câmara, G.; Micaelo, R.; Azevedo, N.
: Computational Particle Mechanics
Editor: Springer
Keywords: Sunflower oil; Self-healing; Viscoelasticity; Generalized Kelvin model; Discrete element model; Asphalt mastic
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Comunicação
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Deteção de danos baseada em vibrações: Aplicação a uma barragem de betão
Os sistemas de monitorização da condição estrutural baseados em vibrações têm sidoimplementados com sucesso em diversas estruturas de engenharia civil, como pontes, coberturas deestádios e geradores eólicos, fornecendo dados importantes sobre o seu comportamento dinâmico epermitindo o estabelecimento de metodologias de deteção de danos com base na evolução daspropriedades modais. Aliando este conhecimento ao surgimento de sensores de baixo ruído edigitalizadores de alta resolução, surgiu a oportunidade de implementar sistemas de monitorizaçãodinâmica contínua em barragens e assim validar a adequação destes sistemas à monitorização destetipo de estruturas, com o objetivo de detetar danos.A deteção de um comportamento estrutural anormal, que pode indicar a ocorrência de dano, podeser baseada em diagramas de controlo e está associada a alterações nos valores dos parâmetrosmodais que, não sendo explicadas por outros fenómenos físicos, sugerem uma alteração na rigidezda estrutura. Para testar estas ferramentas estatísticas, os parâmetros modais obtidos a partir deséries temporais medidas diretamente na estrutura podem ser alterados com danos simuladosnumericamente.Neste contexto, a capacidade de diagramas de controlo para identificar o surgimento decomportamentos estruturais anormais em barragens é estudada neste trabalho usando dadosobtidos a partir da monitorização dinâmica contínua da barragem do Baixo Sabor, uma barragem debetão de um aproveitamento hidroelétrico que começou a operar no final de 2015. Não sendoexpectável detetar danos numa estrutura tão recente, um conjunto de cenários de danos plausíveisfoi simulado usando um modelo numérico, tendo a influência nas propriedades dinâmicas dabarragem sido usada para contaminar os valores das frequências naturais obtidas da monitorizaçãocontínua.
Year: 2021
Author(s): Pereira, S.; Magalhães, F.; Gomes, J. P.; Cunha, A.; Lemos, J. V.
Editor: LNEC
Keywords: deteção de dano; análise modal operacional; monitorização dinâmica contínua; Barragem de betão
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Development of hybrid HSCT-FE models to study the behavior of large dams due to concrete swelling
N/A
Year: 2021
Author(s): Rodrigues, M.; Oliveira, S.; Proença, J.
Editor: ICAAR
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EVALUATION OF DIFFERENT COMPUTATIONAL MODELLING STRATEGIES OF A MASONRY VAULT WITH BUTTRESSES AND BACKFILL
In this paper, a critical comparison of two of the most common methods for theanalysis of masonry vaults up to collapse is carried on. Innovative 2D Discrete Element (DE)and Finite Element (FE) models have been adopted aiming at capturing the main features ofmasonry single curvature structures mechanical behavior. Two numerical strategies areadopted: a discrete element model and a continuous homogenized model. The first approachprovides an estimate of the collapse load and failure pattern of masonry based on ad-hocimplemented algorithm. The second approach is formulated in the framework of multi-surfaceplasticity and implemented in a FE code for the path-following non-linear analysis of masonrywall described as continuous anisotropic plate. The two numerical approaches are adopted toreproduce the Experimental Campaign of a full-scale Catalan vault with buttresses and backfill,statically loaded at 1/3 span. The failure modes and the crack patterns obtained by the proposedmodels are compared between them and with that observed in the experimental test as well asthe load-displacement response curves. Both the proposed models efficiently capture thebehavior of the vault and, in particular, the backfill deformation and load-spreading effect,hinges position and formation order.
Year: 2021
Author(s): Gobbin, F.; De Felice, G.; Malena, M.; Lemos, J. V.
Editor: Eccomas
Keywords: Estruturas de alvenaria
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Grain deformability influence on the fracture behaviour of rock
It is known that the initially proposed circular/spherical rigid particle models are not able to match the ratio of the compressive strength to tensile strength that occurs in rock and the predicted macroscopic friction angle was much lower than the known hard rock experimental values. For this reason, several enhancements have been proposed to address these issues, namely the use of a clumped particle logic, the increase of the number of contacts per particle, the adoption of polygonal/polyhedral grain structures. A flexible 2D DEM based particle model that allows deformable particles to interact in a simplified away is presented. The flexible particle model is tested using biaxial tests and Brazilian tests. The results obtained are compared with those obtained with a rigid particle model with similar contact strength properties and with a flexible particle model, where the flexibility is due to the inner discretization of the grain with smaller particles. The results show that the proposed flexible particle model can predict a behaviour similar to a flexible particle model through inner particle discretization that is more computationally demanding. It is also shown that when compared with a rigid model, the flexible model predicts more reasonable indirect tensile strength to direct tensile strength ratio and requires a smaller value of contact fracture energy to give a good agreement with known experimental data.
Year: 2021
Number Pages:
12p.
Author(s): Azevedo, N.; Braga Farinha, M. L.
Editor: CIMNE
Keywords: Particle deformability; FEM; DEM; Rock; Fracture
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Interação dinâmica fluido/estrutura em barragens de betão utilizando uma formulação de Lagrange na discretização dos elementos de fluido
A modelação da interação, sob excitações dinâmicas, do corpo da barragem com a albufeira éimportante na análise do comportamento da barragem sob ações sísmicas e na análise einterpretação da resposta dinâmica da estrutura sob excitação ambiente e em ensaios de vibraçãoforçada. Nesta comunicação é analisada a interação barragem-albufeira, considerando que o corpoda barragem apresenta aceleração constante no tempo.São estudadas duas barragens gravidade para dois valores de inclinação do paramento de montante,e uma barragem com geometria tipo abóbada. As distribuições de pressão hidrodinâmicas obtidas noparamento de montante são comparadas com a solução experimental proposta por Zangar, para ocaso das barragens gravidade de paramento inclinado, e com a distribuição teórica proposta porWestergaard, para o caso da barragem tipo abóbada.Os resultados numéricos obtidos permitem concluir que um modelo de fluido em deslocamentospermite obter uma solução estável para as geometrias estudadas, em particular quando se utilizamelementos hexahédricos de oito nós subintegrados. Conclui-se também que, em malhastridimensionais irregulares, em barragens gravidade com inclinação significativa e em barragensabóbada, o valor a adotar para o coeficiente de penalização de modo a minimizar os modos decirculação deve ser avaliado cuidadosamente. Demonstra-se ainda a importância do refinamento damalha da albufeira na vizinhança do paramento.
Year: 2021
Number Pages:
10p.
Author(s): Almeida, C.; Azevedo, N.; Braga Farinha, M. L.; Rocha de Almeida, J.; Oliveira, S.
Editor: APEE e GPBE
Keywords: Elemento finito; Interface albufeira/barragem; Análise hidrodinâmica; Formulação de Lagrange
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Measured response of a large arch dam. Comparison with FE results from DamDySSA and Code_Aster
Measured response of a large arch dam. Comparison with FE results
Year: 2021
Number Pages:
10p.
Author(s): Alegre, A.; Robbe, E.; Oliveira, S.
Editor: SHMII-10
Keywords: Measured response of a large arch dam
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Modelação de paredes de alvenaria de pedra tradicional com um modelo de partículas
Nesta comunicação apresenta-se a modelação de paredes de alvenaria de pedra tradicionalrecorrendo a um modelo de partículas (MP) 2D, baseado no método dos elementos discretos, quetem sido adotado na modelação da fratura em materiais quase-frágeis. Nesta abordagem numérica,os elementos constituintes da estrutura de alvenaria, pedras e a argamassa, são entendidos comosendo formados por um esqueleto de agregados de várias dimensões em contacto direto, comligações do tipo coesivo, que permitem ao esqueleto de agregados suportar forças de tração. Odesenvolvimento dos modelos numéricos apresentados teve por base os modelos experimentaisdesenvolvidos e ensaiados pelo segundo autor [1].Após uma descrição sucinta do modelo numérico, apresenta-se os ensaios experimentais adotadoscomo referência dos estudos numéricos realizados. Descreve-se a metodologia de geração dosmodelos numéricos representativos da estrutura de alvenaria de pedra e apresenta-se o processo decalibração das propriedades dos contactos pedra-pedra e argamassa-argamassa, de modo a se obteruma resposta elástica e resistente próxima da pedra e da argamassa, alcançada nos ensaiosexperimentais.Em seguida são simulados ensaios de compressão simples com base nos parâmetros de contactodefinidos no processo de calibração. Dos ensaios numéricos, verifica-se que, com base nosparâmetros calibrados, os valores de rigidez e de resistência máxima obtida numericamente são daordem de grandeza dos valores obtidos experimentalmente. Os estudos apresentados demonstramque, após calibração dos parâmetros de contacto, os modelos MP permitem representar, com baseem modelos de interação simples, o processo de formação e propagação de fendas em paredes dealvenaria de pedra tradicional, a rigidez, a ductilidade e o valor da carga máxima.
Year: 2021
Number Pages:
10p.
Author(s): Azevedo, N.; Pinho, F.; Cismasiu, I.; Souza, M.
Editor: APEE e GPBE
Keywords: Fratura; Modelo de partículas; Alvenaria de pedra tradicional
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Modelo de contacto do tipo kelvin generalizado baseado no med para a análise da rigidez em mastiques
têm sido adotados no estudo da fratura e propriedades viscoelásticas do mastique e dasmisturas betuminosas a partir da representação de uma microestrutura irregular e doscontactos partícula-partícula. Nesse sentido, este trabalho apresenta um modelo departículas tridimensional baseado nos diagramas de Laguerre-Voronoi da estruturagranular para o estudo da viscoelasticidade dos mastiques betuminosos. Dos modelosde contacto existentes, o modelo de Burger é o mais utilizado na análise dos materiaisbetuminosos. Contudo, este modelo apresenta limitações na previsão de propriedadesdinâmicas numa ampla variedade de frequências. Para isso, um modelo de contacto dotipo generalizado de Kelvin (GK) foi desenvolvido para a representação dos contactosviscoelásticos. Este modelo, composto por uma parcela elástica, uma parcelaviscoelástica e uma parcela visco-plástica, é baseado numa formulação incremental, emque o incremento de deslocamento resulta num incremento de força. A conversão daspropriedades macroscópicas, obtidas a partir do ajuste de resultados experimentais emmastiques, em parâmetros de contacto e a respetiva calibração são apresentados. Osmastiques foram submetidos a ensaios cíclicos com carregamento sinusoidal paravalidar o modelo em diferentes temperaturas e frequências. Verificou-se que ocomportamento reológico obtido com o modelo de contacto foi bem previsto. Por fim, osresultados reológicos obtidos com o modelo GK e o modelo de Burger foramcomparados. Como esperado, o modelo de contacto GK apresentou uma melhorresposta quando comparado aos resultados obtidos experimentalmente. Estudos docomportamento dinâmico em misturas betuminosas estão em andamento.
Year: 2021
Number Pages:
10p.
Author(s): Câmara, G.; Azevedo, N.; Micaelo, R.
Editor: Sociedade Portuguesa de Geotecnia
Keywords: Misturas betuminosas; Mastique; Método dos elementos discretos; Modelo de kelvin
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Modelos híbridos de separação de efeitos do tipo HSCT-FE para estudo do comportamento de barragens abóbada sob ações expansivas
Modelos híbridos de separação de efeitos do tipo HSCT-FE para estudo do comportamento de barragens abóbada
Year: 2021
Number Pages:
10p.
Author(s): Rodrigues, M.; Oliveira, S.; Proença, J.
Editor: RBE2020, LNEC
Keywords: Modelos híbridos de separação de efeitos
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Monitorização e modelação do comportamento dinâmico da barragem do Cabril no período 2008-2020
N/A
Year: 2021
Author(s): Oliveira, S.; Alegre, A.; Ferreira, I.; Mendes, P.; Proença, J.
Editor: RBE2020, LNEC
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Books
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Computational modeling of masonry structures using the discrete element method
Masonry is a combination of units such as stones, bricks or blocks usually laid in a cementitious or limemortar. It is probably the oldest material used in construction and has proven to be both simple to buildand durable. Over the years, existing masonry constructions have inevitably suffered damage with time.Earthquakes, soil settlements, material degradation and lack of maintenance are the main reasons forthat. Careful and periodic assessment of such structures is necessary in order to evaluate their structuralcapacity and safety levels. However, performing the structural analysis of masonry construction is notan easy task. A review is presented of the main models based on the discrete element method and the available related numerical techniques that have been proposed for the analysis of masonry. The essential assumptions adopted by these models and numerical implementation issues are discussed. Differences between available models are illustrated by applications to various masonry problems including static and dynamic analysis of masonry arch bridges, walls, vaults, domes and ancient colonnades.This book is composed of 17 chapters authored/co-authored by 25 outstanding researchers from 11countries (Canada, France, Greece, Hungary, Iran,Italy, Mexico, Norway, Portugal, UK, USA), whichwere reviewed by 60 referees.
Year: 2016
Number Pages:
505p.
Author(s): Sarhosis, V.; Bagi, K.; Lemos, J. V.; Milani, G.
Editor: IGI Global
Keywords: Elementos discretos; Modelação numérica; Alvenaria
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Contribuição de Manuel Rocha para a mecânica das rochas e as fundações de barragens
N/A
Year: 2013
Number Pages:
296pp.
Author(s): Lemos, J. V.; Lamas, L.
Editor: LNEC
Keywords: Investigação científica e técnica; Barragem de betão; Fundação rochosa; Fundação de barragem; Mecânica das rochas; Pt
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Capítulo de Livro
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Chapter 5 Discrete Element Modeling
This chapter consists of two parts. First a general overview is given: the exact definition of the Discrete Element Method is provided, and the main types of existing models are introduced; then the theoretical fundaments of the most important approaches available today for masonry analysis are given. The second part of the chapter focuses on 3DEC, the most widespread commercial DEM code for masonry analysis. This second part begins with a theoretical overview. Application issues for masonry structures are then considered (block material behaviour, contact representation, structural elements like cables or bars etc.). Among the practical examples arches, barrel vaults, walls, coloumns and complete structures (like houses) are presented, including the issues of quasi-static versus dynamic analysis and of block fracture as well. The readers can find helpful advice on how to simulate their own problems most effectively.
Year: 2023
Author(s): Lemos, J. V.; Bagi, K.
: Discrete Computational Mechanics of Masonry Structures
Editor: Springer
Keywords: Masonry models
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Discrete Element Modelling of Masonry Arch Bridges, Arches and Vaults
N/A
Year: 2022
Author(s): Lemos, J. V.; Gobbin, F.; Forgacs, T.; Sarhosis, V.
: From Corbel Arches to Double Curvature Vaults.
Editor: Springer
Keywords: numerical modelling; masonry
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DEM modelling of the non-linear static and dynamic response of masonry structures
Discrete element models have become a major tool for masonry analysis, allowing a suitable representation of its discontinuous nature and marked nonlinear behaviour. The chapter reviews the fundamental assumptions of the main DEM formulations available. It focuses more specifically on the widely used UDEC and 3DEC codes, explaining their relation with the other approaches, and the most relevant issues arising in their application to masonry. Applications to the main types of structures are reviewed, considering both static and dynamic analyses. Recent research providing comparisons of the numerical models with experimental and field data is particularly covered. The discussion of the different examples is aimed at clarifying the key capabilities of DEM and demonstrating the most effective ways of using it in a variety of masonry analysis situations.
Year: 2019
Number Pages:
469-501pp.
Author(s): Sarhosis, V.; Lemos, J. V.; Bagi, K.
: Numerical Modeling of Masonry and Historical Structures - From Theory to Application
Editor: Elsevier
Keywords: DEM; Masonry structures
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Seismic and Structural Health Monitoring of Dams in Portugal
This chapter is focused on the Portuguese experience on the developmentand exploration of systems for continuously monitoring dam vibrations, usingaccelerometers. The pioneer system for seismic and structural health monitoring(SSHM) installed in Cabril dam (the highest Portuguese arch dam: 132 m high) isdescribed in detail. The design of this system was the result of a long-term LNECresearch program, still ongoing. These monitoring systems should include softwaredeveloped to automatically perform the analysis of collected data, including theautomatic comparison with numerical results from 3DFE models. In view of thegood results obtained with the system in operation in Cabril dam since 2008, similarsystems have been installed in other large dams in Portugal, particularly in recentlybuilt dams. Finally, Baixo Sabor dam is presented as an example of a new Portuguesedam with a complete SSHM system, in operation since 2015. Themain experimentalresults obtained for both dams are shown, namely the evolution of natural frequenciesover time, mode shapes and the measured seismic response to earthquake events.
Year: 2019
Number Pages:
87-113pp..
Author(s): Oliveira, S.; Alegre, A.
: Seismic Structural Health Monitoring - From Theory to Successful Applications
Editor: Springer
Keywords: Modal identification · Concrete dams · Ambient and seismic vibrations
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Tese de Doutoramento
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Análise experimental de cenários de rotura em fundações de barragens de betão
Para verificação do cumprimento das exigências de segurança das barragens,tanto relativamente à funcionalidade (cenários correntes), como em relação àsegurança ao colapso (cenários de rotura), é essencial utilizar modelos de simulação oude interpretação (no caso de obras existentes) do seu comportamento. Estes modelossão idealizações (simplificações) da realidade, tanto no que diz respeito às acções(modelos das acções), como no que respeita à componente estrutural (modelos estruturais).A solução destes modelos, através de adequados métodos de análise, quantificaparâmetros da resposta das estruturas que permitem avaliar a sua segurança, utilizandocritérios de segurança previamente definidos.A validação destes modelos pode ser feita, no caso de cenários correntes,através da sua comparação com os resultados da observação do comportamento debarragens. No caso de cenários de rotura, não existe muita experiência de comparaçãodestes resultados com situações reais: é pequeno o número de acidentes ocorrido e,mesmo nestes, o volume de informação é reduzido. Desta forma, o recurso a métodosexperimentais, para o estudo de cenários de rotura, tem uma importância acrescida.Assim o principal objectivo deste trabalho é contribuir para melhorar a capacidade deavaliação da segurança de barragens de betão envolvendo cenários de rotura pela fundação.Neste trabalho desenvolveram-se dois ensaios experimentais em modelosfísicos: um primeiro envolvendo uma barragem abóbada, para o estudo de cenários derotura da fundação para acções estáticas; e um segundo de uma barragem gravidadeensaiado em mesa sísmica, com vista a estudar a rotura pela fundação para acçõesdinâmicas.A previsão e interpretação dos ensaios foram efectuadas com modelosmatemáticos adequados, que permitiram a sua validação e posterior utilização no estudode outros cenários.
Year: 2009
Author(s): Gomes, J. P.
Keywords: Método dos elementos discretos; Método dos elementos finitos; Modelos numéricos; Mesa sísmica; Análise dimensional; Modelos físicos; Análise até à rotura; Controlo da segurança de barragens; Barragens de betão
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Relatório Científico
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Barragem do Cabril - Sistema para monitorização de vibrações em contínuo medição e análise automática da resposta dinâmica sob excitação ambiente/operacional e sob ações sísmicas
Neste trabalho apresenta-se o sistema para monitorização em contínuo do comportamento dinâmico da barragem do Cabril que foi instalado em 2008, pelo LNEC e pela EDP, referindo alguns dos principais resultados que têm sido obtidos a partir da análise dos dados recolhidos, quer sob excitação ambiente/operacional, quer sob ações sísmicas. Salienta-se a importância do desenvolvimento do software para tratamento, análise e gestão automática dos dados e apresentam-se os programas que têm vindo a ser desenvolvidos no LNEC, em MATLAB, para apoio a este tipo de sistemas, nomeadamente programas de identificação modal (Modal_ID2.0 e Modal_ID_Auto2.0) e programas de elementos finitos tridimensionais para análise do comportamento dinâmico de sistemas barragem-fundação-albufeira (DamDySSA2.0).
Year: 2017
Author(s): Oliveira, S.; Silvestre, A.
Keywords: Densidade espetral de potência; Amortecimentos modais; Comportamento dinâmico de barragens; Modos de vibração; Frequências naturais; Interação dinâmica barragem-albufeira; Análise espetral; Monitorização de vibrações em contínuo
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Discrete element modelling of rock engineering structures for seismic safety analyses - PhD thesis research plan of Margarida Espada
This document presents the research plan for the doctoral thesis of LNEC's Junior Research Fellow Margarida Espada. This work, to be submitted to the Faculty of Engineering of the University of Porto (FEUP), will be developed in the Modelling and Rock Mechanics Unit of the Concrete Dams Department, and it is part of the on-going P2I research project DEMRock6m. This work aims at developing more efficient methodologies to perform safety studies and seismic analysis of rock engineering structures, based on discrete element models and in the integrated use of probabilistic models for the geometric and shear strength parameters and for the water pressures in rock discontinuities. This will allow a more realistic definition of the rock mass in discrete element models and an adequate identification of the potential failure mechanisms.
Year: 2016
Author(s): Espada, M.; Muralha, J.; Lemos, J. V.; Couto Marques, J.
Keywords: Dam foundations; Rock discontinuities; Seismic analysis; Probabilistic analysis; Safety analysis; Discontinuities generation tool; Discrete element models
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Método de Euler não linear aplicado a órbitas do sistema n-CORPOS
Neste relatório é apresentado o método de Euler para calcular as órbitas do sistema n-corpos,por exemplo, o dos planetas do sistema Solar, tendo em conta a propagação das forçasgravíticas entre o Sol e os planetas e entre os planetas entre si. Apenas requer como dadosiniciais uma observação anterior das órbitas em termos de posição e velocidade. A correcçãoda interacção entre planetas não é suavizada, o que se justifica pelos seus valores. A correcçãorelativista é importante.
Year: 2013
Number Pages:
11pp.
Author(s): Câmara, R.
Editor: LNEC
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Soluções distribucionais das equações de Navier-Stokes
As equações de Navier-Stokes são equações de derivadas parciais. As incógnitas nocaso de incompressibilidade consistem no campo de velocidades. As pressões numa 1ªaproximação resultam de um equilíbrio estático.A principal causa de problemas relacionados com a solução destas equações é devida àparcela das acelerações convectivas que está na origem da turbulência.Pesando estas equações e integrando duas vezes por partes obtém-se uma forma fracadestas equações.Em problemas 3D as variáveis independentes são 3 espaciais e 1 temporal. Admite-seque o campo de velocidades pode ser desenvolvido em série de distribuições de Delta deDirac espaciais e suas derivadas com coeficientes funções do tempo. Com funções deteste polinomiais obtém-se a formulação distribucional proposta das equações deNavier-Stokes.
Year: 2013
Number Pages:
15pp.
Author(s): Câmara, R.; Azevedo, N.
Editor: LNEC
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Análise térmica de barragens de betão - Ações térmicas ambientais
N/A
Year: 2012
Number Pages:
114pp.
Author(s): Leitão, N. S.
Editor: LNEC
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Ondas esféricas quânticas
O objectivo deste relatório é o estudo da matemática aplicada à solução de problemasfísicos de propagação de ondas esféricas com operador espacial biharmónico,consideradas quânticas.As técnicas matemáticas usadas incluem a transformada de Laplace da função de ondaf e o cálculo de sua inversa tal como sugerida por Pipes e Harvill.O método matemático usado para descrever as ondas esféricas quânticas é compequenas adaptações o método causal não-linear descrito por Croca.
Year: 2011
Number Pages:
12pp.
Author(s): Câmara, R.
Editor: LNEC
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Tópicos sobre equações de derivadas parciais
N/A
Year: 2011
Number Pages:
15pp.
Author(s): Câmara, R.
Editor: LNEC
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Ensaios de juntas de argamassa para um modelo físico de uma barragem abóbada a ensaiar na mesa sísmica
N/A
Year: 2009
Number Pages:
64pp.
Author(s): Muralha, J.
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RADIAÇÃO SÍSMICA DUMA FALHA PARA UMA BARRAGEM ABÓBADA
N/A
Year: 2007
Number Pages:
50pp.
Author(s): CÂMARA, R.
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Geração de malhas de elementos finitos tridimensionais. Desenvolvimento e apresentação do módulo computacional GeTMEF1.0
A análise do comportamento de barragens de betão com base em modelos de elementos finitos tridimensionais exige a definição da discretização a adoptar para o conjunto barragem-fundação, ou barragem-fundação-albufeira. A realização desta tarefa sem o recurso a programas de geração automática é muito dispendiosa pelo que tem vindo a ser desenvolvido no NMMF um módulo computacional para geração automática de malhas de elementos finitos tridimensionais especialmente adaptado para a geração de malhas tridimensionais de barragens abóbada. Inicialmente desenvolvido em FORTRAN, o referido módulo computacional para geração de malhas de elementos finitos tridimensionais tem vindo a ser objecto de diversos melhoramentos, os mais recentes centrados ao nível da interface com o utilizador. Assim, apresenta-se neste relatório o módulo computacional
Year: 2006
Author(s): Dias, I. M.; Oliveira, S.
Keywords: Barragens; Hexaedros; Geração de malhas de elementos finitos
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ICT
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Identification of transversely isotropic parameters in overcored rock specimens - A back analysis approach
This document presents a back analysis procedure for identification of the elastic parameters of transversely isotropic rock cores, containing an overcoring triaxial strain probe, from the strains measured during a biaxial test. A three-dimensional finite element model was developed to simulate the biaxial test on the overcored rock specimen and to compute the strains at the location of the strain gauges. Different optimisation algorithms were tested and the most suitable one was selected. The back analysis procedure was tested for identification of the five elastic parameters and the two orientation angles that characterise a transversely isotropic rock core. In spite that, with the developed methodology, convergence was reached and all those parameters could be identified, sensitivity analyses demonstrated that the results obtained were not stable and therefore they were not reliable. By introducing constrains based on common practice and previous experience, a stable and robust methodology was achieved: the three elastic parameters, E1, E2 and ?2, are reliably identified using the value of G2 calculated with Saint-Venants expression and a fixed value of ?1, while the orientation parameters are obtained from observation of overcored rock. Analysis of the results shows that application of this methodology represents an enormous step forward when compared with the traditional use of isotropy. Besides, the methodology is general and can also be used with other types of overcoring equipment. The five elastic parameters and the two orientation angles obtained can then be used, together with the overcoring strains, to compute the complete in situ state of stress.
Year: 2018
Author(s): Espada, M.; Lamas, L.
Keywords: Transversely isotropic rock; Numerical method; Rock test; Optimisation; Triaxial strain probe; In situ stress; Overcoring; Biaxial test
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Stability analysis of excavation slopes of Baihetan arch dam foundation - Reliability analysis by application of the response surface method
This document presents the work developed by the PhD student Margarida Espada in the scope of the course unit Risk Analysis in Geotechnical Works of the Doctoral Program in Civil Engineering of the Faculty of Engineering of the University of Porto (FEUP). This work presents a reliability analysis, using the response surface method (RSM), for the case study of the left bank excavation slopes of the Baihetan arch dam foundation, which is one of the case studies of Margarida Espada's PhD thesis. The aim was to approximate an implicit limit state function by computing safety factors, using a discrete element model of the Baihetan left bank developed in 3DEC software, where the shear strength parameters of two important rock discontinuities were considered as random variables. The probability of failure was then obtained through an iterative process, using approximation methods. This work presents the 3DEC model developed to analyse the stability conditions in the Baihetan left bank and the results of the reliability analysis.
Year: 2018
Author(s): Espada, M.
Keywords: Dam foundation; Baihetan dam; Discrete element method; Reliability; Slopes stability
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Contribuição para o problema da existência e suavidade da solução da equação de Navier- Stokes
O problema da solução das equações de Navier Stokes é abordado neste trabalhopropondo-se uma técnica de representação das incógnitas deslocamentos e pressõesvariáveis no espaço e no tempo em série de Delta de Dirac e suas derivadas no tempocujos coeficientes se determinam com base na solução de sistemas de equaçõesdiferenciais definidos no espaço (problema com três variáveis espaciais independentesque pode ser estudado pelo método de Monge).
Year: 2011
Number Pages:
12pp.
Author(s): Câmara, R.
Editor: LNEC
Keywords: Equação de navier-stokes
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Elastodinâmica
Neste relatório apresentam-se as equações básicas da elastodinâmica linear, as soluçõesfundamentais e o teorema da representação no domínio de tempo e de frequência.Para movimentos finitos de casca formula-se o teorema dos trabalhos virtuais e a suaimplementação pelo método dos elementos finitos.
Year: 2007
Number Pages:
54pp.
Author(s): Câmara, R.
Editor: LNEC
Keywords: Método dos elementos finitos; Elastodinâmica
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Modelação sísmica de barragens abóboda
Neste relatório apresentam-se os principais aspectos da modelação sísmica de barragensabóbada. Assim propõe-se: modelos numéricos de geração de sismos por uma falha; aforma como o sismo actua na barragem; modelos para estudar a influência da albufeirana vibração do conjunto; métodos para solução das equações do movimento; e novasformulações de elementos finitos para o problema estrutural.
Year: 2005
Number Pages:
72pp.
Author(s): Câmara, R.
Editor: LNEC
Keywords: Método dos elementos finitos; Simulação numérica; Comportamento sísmico de estruturas; Comportamento de barragens; Barragem abóboda
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An experimental and numerical study for analysis of the hydromechanical behavior of the Alto Lindoso high pressure circuit
In pressure tunnels and shafts, in addition to the mechanical effect that excavation has on the rock mass and the disturbance that it introduces in the water flow, also the contained water can interact from the mechanical and hydraulic points of view with the rock mass. Seepage in fractured rock masses is dominated by the flow that takes place through the joints, and this is highly d(;pendent on their properties, namely aperture and roughness. Joint aperture, in tum, i::; very sensitive to stress changes. Special attention must therefore be paid to the joints in hydromechanical analyses. In this report are presented some studies that were carried out for the hydromechanical characterization of joints of the Alto Lindoso rock mass and numerical simulations of the hydromechanical behaviour of two selected sections of the high pressure circuit.
Year: 1994
Author(s): Lamas, L.
Keywords: Simulação numérica; Barragem de Alto Lindoso; Percolação no solo; Maciço rochoso; Comportamento hidromecânico; Interacção solo-água-estrutura; Circuito hidráulico
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