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5/20/2018 Geomecanica de Macizos Rocosos
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UNIVERSITAT POLITCNICA DE CATALUNYAEscola Tcnica Superior dEnginyers de Camins, Canals i Ports
Geomecnica de Macizos
Rocosos en Ingeniera Civil
ydel Petrleo
Mtodos Numricos
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ndice
1. MEF (Finite Element Method)1. Plaxis - geotecnia
2. Phase - geotecnia
3. Diana - geotecnia
4. Geo5 - geotecnia5. Abaqus - general
6. ANSYS - general
7. DRAC - Elementos junta (depto.etcg UPC)
8. Code bright - geotecnia (depto.etcg UPC)
2. DF (Finite Difference)1. Eclipse - Oil & gas
2. FLAC - geotecnia
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ndice
3. DEM (Distinct Element Method)1. PFC - geotecnia
2. Elfengeotecnia
4. Metodos convencionales de estabilidad de taludes1. Equilibrio lmite
1. Slide
2. Geo-slope
3. STABL
2. Anlisis cinemtico y estereogrfico1. DIPS
3. Cada de bloques1. CRSP
2. Rocfall
5. Otros1. UDEC y 3DEC
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1. Mtodo de Elementos Finitos (I)
Definicin del problema y de su dominio
Mecnico/Hidrulico/Trmico - u, , , flujo, etc.
1D/2D/3D
Tensin o deformacin plana
Comportamiento elstico/elastoplstico
RESOLVER INTEGRALES DE ECUACIONESDIFERENCIALES
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1. Mtodo de Elementos Finitos (II)Discretitzacin del dominio (mallado)
El objetivo del MEF es conocer la solucin en cualquier punto. Paraeso se debe dividir el domino en subdominios (elementos finitos)creando una malla.Las incgnitas son el valor de la(s) variable(s) principal(es) en losnudos, que se interpolan a todos los puntos del interior de los
elementos mediante las Funciones de Forma (shape functions).
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1. Mtodo de Elementos Finitos (III)
Formulacin del problema
Ecuaciones que entran en juego:
Relaciones cinemticas Ecuaciones constitutivas (relacin -).
P.ej. Elstica lineal =D
Expresin global de equilibrio (PTV,residuos ponderados, etc).
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1. Mtodo de Elementos Finitos (IV)
Resolucin del sistema
Funciones de forma
adems
Sistema obtenido del PTV
(forma dbil)
Ley de material:
Substituyendo,
Ensamblaje todos los elementos
K: Matriz de rigidezu: Vector de desplazamientos (incgnita)f: Vector de fuerzas
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Programas MEF
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1.1 Plaxis
Software basado en el MEF.
Destinado al anlisi 2D y 3D de la deformacin yla estabilidad de la estructura del suelo, flujo enaguas subterrneas y el flujo de calor.
Aplicaciones de geo-ingeniera, tales comoexcavaciones, cimentaciones, muros de
contencin y tneles.
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1.1 Plaxis 2D
Geometra fcil de definir para suelos yestructuras
Permite la construccin por etapas (simulacin
de procesos de construccin o excavacin) Clculo por Kernel, permite simular bien el
comportamiento anisotropo de suelos y rocas enel tiempo .
Para suelos multifsicos, puede calcularprocedimientos hidrostticos y no hidrostticosde la presin de poro en el suelo.
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1.1 Plaxis 2D
Los resultados se obtienen de forma numrica yvisual para comprobar los detalles del modelo2D.
Refuerzos en untunel
Hilera de anclajesencastados
Moviemiento deuna tuberia
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1.1 Plaxis 3D
Anlisis 3D de la deformacin y de laestabilidad.
Capaz de describir geometras complejas de
suelos o estructuras. Permite la construccin por etapas (simulacin
de procesos de construccin o excavacin)
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1.1 Plaxis 3D
Los resultados se obtienen de forma numrica yvisual para comprobar los detalles del modelo3D.
Tunel con pernos Estacin de metro Tunel y cimentacin
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Web: http://www.plaxis.nl
http://www.plaxis.nl/http://www.plaxis.nl/ -
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1.2 Phase
Programa 2D de EF
Calcula tensiones en excavacionessubterrneas de roca o suelo
Estabilidad de taludes, filtracin de aguassubterrneas, anlisis probabilstico, etc.
Puede contemplar varias etapas de
construccin Fractura progresiva
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1.2 Phase
Usa el mtodo de reduccin de resistencia a la cizalla.Se puede utilizar con los parmetros de resistencia deMohr-Coulomb o de Hoek-Brown.
Estado de equilibrio, no hay necesidad de utilizar unprograma de las aguas subterrneas por separado
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Web:https://www.rocscience.com/products/3/Phase2
https://www.rocscience.com/products/3/Phase2https://www.rocscience.com/products/3/Phase2https://www.rocscience.com/products/3/Phase2https://www.rocscience.com/products/3/Phase2 -
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1.3 Diana
Web:http://tnodiana.com/EUCentre_CSPFea_2014
1.4 Geo5
Web:http://www.geosoftware.hu/geotec
hnical-software/
http://tnodiana.com/EUCentre_CSPFea_2014http://tnodiana.com/EUCentre_CSPFea_2014http://www.geosoftware.hu/geotechnical-software/http://www.geosoftware.hu/geotechnical-software/http://www.geosoftware.hu/geotechnical-software/http://www.geosoftware.hu/geotechnical-software/http://www.geosoftware.hu/geotechnical-software/http://www.geosoftware.hu/geotechnical-software/http://www.geosoftware.hu/geotechnical-software/http://www.geosoftware.hu/geotechnical-software/http://www.geosoftware.hu/geotechnical-software/http://www.geosoftware.hu/geotechnical-software/http://www.geosoftware.hu/geotechnical-software/http://tnodiana.com/EUCentre_CSPFea_2014http://tnodiana.com/EUCentre_CSPFea_2014http://tnodiana.com/EUCentre_CSPFea_2014http://tnodiana.com/EUCentre_CSPFea_2014http://tnodiana.com/EUCentre_CSPFea_2014http://tnodiana.com/EUCentre_CSPFea_2014http://tnodiana.com/EUCentre_CSPFea_2014http://tnodiana.com/EUCentre_CSPFea_2014http://tnodiana.com/EUCentre_CSPFea_2014 -
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1.5 Abaqus
Programa basado en el MEF destinado a resolverproblemas de ciencias e ingeniera en grandesdeformaciones.
Abaqus se usa principalmente en temas industrialescomo la aeronutica, automovilismo, etc. Lageomecnica es una pequea parte del software.
Posee una extensa librera de elementos finitos que
permite modelar virtualmente cualquier geometra eincluso juntas.
Contiene una extensa lista de modelos que simulanel comportamiento de distintos materiales.
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1.5 Abaqus
Archivo de entrada
Datos que definen el tipo de anlisis, cargas ysalidas requeridas.
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1.5 Abaqus
Datos:
Geometra: nodos y elementos
Propiedades del material
Condiciones de contorno y condiciones iniciales
Condiciones de borde (simetra, desplazamiento orotaciones)
Interacciones
Definicin de amplitud (Se pueden definir curvas de
amplitud para casos donde las cargas dependen deltiempo o condiciones de contorno)
* Es posible continuar un nuevo modelo con los datos delanlisis previo
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1.5 Abaqus
Formulacin Teora Lagrangiana: Esfuerzos y desplazamientos
Teora Euleriana o espacial: Mecnica de fluidos
Leyes de integracin: Cuadratura de Gauss
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1.5 Abaqus
Archivos de: Datos .dat
Visualizacin de resultados .odb
Resultados seleccionados .sel
Resultados .fil Mensajes .msg
Estatus .sta
Recuperacin .res
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1.5 Abaqus
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1.6 Ansys
Parecido a Abaqus
No orientado inicialmente a la geotecnia,es de carcter industrial.
Web: http://www.ansys.com/
http://www.ansys.com/http://www.ansys.com/ -
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1.7 DRAC
Trabaja con elementos finitos
Usa el programa GiD como pre y postprocesador
Modela juntas mediante el mtodo dezero-thickness elements
Resuelve problemas complejos de MR
Permite modificar la malla y cargarla poretapas
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1.7 DRAC
Pasos1. Definir el tipo de problema
2. Dibujar la geometra
3. Prop. de los materiales (cont. y juntas)4. Stage / step
5. Condiciones prescritas
6. Mallar
7. Correr el caso (run)8. DRAC
9. Visualizacin de los resultados
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1.8 Code Bright
Trabaja con elementos finitos
Anlisis Termo-hidro-mecnico, COupledDEformation BRIne, Gas and HeatTransport
Usa el programa GiD como pre y postprocesador
Permite construccin por capas
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Web:https://www.etcg.upc.edu/recerca/webs/code_bright?set_language=en
https://www.etcg.upc.edu/recerca/webs/code_bright?set_language=enhttps://www.etcg.upc.edu/recerca/webs/code_bright?set_language=enhttps://www.etcg.upc.edu/recerca/webs/code_bright?set_language=enhttps://www.etcg.upc.edu/recerca/webs/code_bright?set_language=en -
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2. Mtodo de Diferencias Finitas (I)
Definicin del problema y de su dominio
Resuelve de forma aproximada EDPs
P.ej. de 2 orden
Ecuaciones tpicas:
Ecuacin de ondas Ecuacin del calor
Ecuacin de Laplace
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2. Mtodo de Diferencias Finitas (II)
Discretitzacin del dominio
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2. Mtodo de Diferencias Finitas (III)
Formulacin y resolucin del problema
Hay distintas opciones Mtodos explcitos
Sencillos: Se resuelven de forma directa
No siempre son estables (variar paso)
Mtodos implcitos
Mas complejos: Se resuelven mediante mtodosindirectos (Crout, Cholesky...)
Siempre son estables
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Programas DF
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2.1 Eclipse (& Visage)
Basado en el mtodo de diferencias finitas
Robusto y fiable
Soluciones numricas para la prediccin rpida yprecisa del comportamiento dinmico para todo tipo dedepsitos.
Integra el proceso de modelado esttico y dinmico enun flujo de trabajo ininterrumpido
Interfaz grfica fcil de aprender, admite la configuracinde simulacin y visualizacin de resultados
http://www.software.slb.com/products/foundation/Pages/eclipse.aspx?tab=overview
http://www.software.slb.com/products/foundation/Pages/eclipse.aspx?tab=overviewhttp://www.software.slb.com/products/foundation/Pages/eclipse.aspx?tab=overviewhttp://www.software.slb.com/products/foundation/Pages/eclipse.aspx?tab=overviewhttp://www.software.slb.com/products/foundation/Pages/eclipse.aspx?tab=overviewhttp://www.software.slb.com/products/foundation/Pages/eclipse.aspx?tab=overviewhttp://www.software.slb.com/products/foundation/Pages/eclipse.aspx?tab=overviewhttp://www.software.slb.com/products/foundation/Pages/eclipse.aspx?tab=overviewhttp://www.software.slb.com/products/foundation/Pages/eclipse.aspx?tab=overviewhttp://www.software.slb.com/products/foundation/Pages/eclipse.aspx?tab=overviewhttp://www.software.slb.com/products/foundation/Pages/eclipse.aspx?tab=overviewhttp://www.software.slb.com/products/foundation/Pages/eclipse.aspx?tab=overviewhttp://www.software.slb.com/products/foundation/Pages/eclipse.aspx?tab=overviewhttp://www.software.slb.com/products/foundation/Pages/eclipse.aspx?tab=overviewhttp://www.software.slb.com/products/foundation/Pages/eclipse.aspx?tab=overview -
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2.1 Eclipse (& Visage)
Basado en el mtodo de elementos finitos
Usa una interfaz grfica (Petrel E&P) para introducir losdatos y visualizar los resultados
2D y 3D. Incluso 4D -flow
El uso de Petrel garantiza que el modelo geomecnicaes coherente e integrada con la geofsica, geologa,petrofsica, y los datos del yacimiento.
Capaz de reproducir comportamientos antecompactacin y subsidencia
Modela fracturas
Influencia de la temperatura
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2.1 Eclipse (& Visage)
En Visage se puede acoplar Eclipse. Especialmente engrandes modelos
Staggered
Puede resolver modelos complejos. El simuladorVISAGE es capaz de modelar cientos de fallas, cientosde miles de fracturas discretas y modelos altamenteheterogneos
http://www.software.slb.com/products/foundation/Pages/visage.aspx
http://www.software.slb.com/products/foundation/Pages/visage.aspxhttp://www.software.slb.com/products/foundation/Pages/visage.aspxhttp://www.software.slb.com/products/foundation/Pages/visage.aspxhttp://www.software.slb.com/products/foundation/Pages/visage.aspx -
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2.2 Flac y Flac 3D
Programa basado en la aproximacin explcitapor diferencias finitas.
Simula el comportamiento de suelos, rocas u
otros materiales que puedan sufrir unadeformacin plstica cuando se alcanzan suslmites de rendimiento.
Los materiales estn representados porelementos, que forman una malla ajustable porel usuario para ajustarse a la forma del objeto aser modelado.
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2.2 Flac y Flac 3D
Caractersticas destacadas Simulacin a gran tensin, con interfaces opcionales que
simulan planos distintos a lo largo de la cual resbalan y/o seseparan los planos
Esquema de solucin explcita, dando soluciones estables a losprocesos fsicos inestables
Flujo de agua subterrnea, con acoplamiento completo para elclculo mecnico (incluyendo la presin negativa del poro, elflujo no saturado, y el clculo de la superficie fretica)
Especificacin conveniente de condiciones de contornogenerales
Elementos estructurales (incluyendo el comportamiento delmaterial no lineal), con acoplamiento general para el continuo
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2.2 Flac y Flac 3D - ITASCA
http://www.itascacg.com/
http://www.itascacg.com/http://www.itascacg.com/ -
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3. Mtodo de elementos discretos o departculas (DEM)
Cada partcula se considera indeformable y se representa por su centro,sus g.d.l. Son la posicin y generalmente tambin su rotacin.
Las interacciones entre partculas se representan inicialmente por muellesque conectan los puntos con sus vecinos. Si se superan ciertos valores sepueden romper estos vnculos, y la(s) partcula(s) queda(n) libre(s)
En ese caso hay que ver la ubicacin de la partculas, posibles nuevoscontactos (muelles),fuerzas que corresponden, etc.
En general se usa un Esquema explicito de integracin en el tiempo, esdecir, para cada partcula a partir de la f se obtiene su a=f/m, y se integrasu movimiento individual, luego se verifica las nuevas f en funcin de sunueva posicin, contactos, etc.
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Programas MED
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3.1 PFC
Particle Flow Code (PFC)
Software de simulacin avanzada, rpido y muyverstil
2D o 3D Resolucin rapida de algoritmo avanzados
Facil de usar
Interoperabilidad con CAD Procesador paralelo
Usa otro programa como post-procesador
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Web: http://www.itascacg.com/software/pfc
http://www.itascacg.com/software/pfchttp://www.itascacg.com/software/pfc -
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3.2 Elfen
Elfen usa Elementos Finitos Discretospara su discretizacin (DEF)
Pertenece al grupo Rockfield. Orientadodesde un principio a problemasgeomecnicos y pioneros en DEF.
Usado para grandes deformaciones
Modela en juntas pero no se ajustaperfectamente al comportamientoesperado
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3.2 Elfen
Modelos de materiales altamente nolineales
Grandes deformaciones
Adaptacin de re-mallado
La fracturacin y fragmentacin
Anlisis acoplado Solucionadores explcitos e implcitos
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3.2 Elfen
Usado en: Comportamiento de reservorios
Evolucin geolgica estructural
Entierro de residuos nucleares Y otras aplicaciones geomecnicas
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Web: http://www.rockfield.co.uk
4 E t bilid d d t l d (I)
http://www.rockfield.co.uk/http://www.rockfield.co.uk/ -
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4. Estabilidad de taludes (I)a) Suponiendo una forma de la superficies de rotura (e.g.circular, fajas, etc)
En general se aplica a suelos
Procedimiento Dibujar posible superficie de rotura
Obtener ny mov
Calcular f = f(n, c, ) - MC
Calcular FS
4 Estabilidad de taludes (II)
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4. Estabilidad de taludes (II)b) En base a las superficies de discontinuidad conocidas,en general planas (teora de bloques)Equilibrio limite y
anlisis cinemtico Caractersticas
En general se aplica a rocas. Formas geomtricasconocidas, generalmente poligonales (2D) o poliedros
(3D) Se establece el equilibrio de cada bloque a nivel de
fuerzas de peso (segn su volumen y densidad), ysobre sus caras, y los momentos correspondiente,todo ello en condiciones de rotura
Se acaba con sistema de ecuaciones a resolver
Es un mtodo de equilibrio ltimo
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4. Estabilidad de taludes (III)c) Simulacin de cada de bloques
Caractersticas En general ocurre en rocas
DEM (FEM,LEM), o simplemente geomtricos (max
pendiente. P.ej. Ligados a sistemas GIS)/mixtos Difcil predecir la forma de los bloques
Pendiente y contacto Deslizamiento (1)
Desprendimiento (2) Vuelco (3)
(1) (2) (3)
( )
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4. Estabilidad de taludes (IV)c)Simulacin de cada de bloques
1. Informacin bsica Geomorfologa, topografa y ensayo de
cada de bloques
2. Calibrar modelo Variacin de parmetros internos
3. Uso del modelo para el diseo Colocar medidas de mejora como diques,
pantallas, etc. para ver como afectan.
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Programas Equilibrio lmite
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4.1.1 Slide
Software de anlisis de estabilidad Complementado con modelos de elementos
finitos para la infiltracin en aguas subterrneas,
vaciados rpidos, ensayos probabilsticos(param. de entrada) y ensayos de sensibilidad.
til en todo tipo de suelos y rocas
Principalmente calcula la estabilidad en taludes,terraplenes, diques de tierra y muros
Se puede introducir la geometra mediante CAD
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4.1.1 Slide
Anlisis de la filtracin integrada por elementos finitos delas aguas subterrneas para condiciones de estadoestacionario o transitorios (nico)
Flujos, presiones y gradientes se calculan en funcin
definidas por el usuario las condiciones de contornohidrulicas.
Slide ofrece 17 modelos diferentes de resistencia delmaterial, incluyendo Mohr-Coulomb, anistropo y
generalizado de Hoek-Brown.
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Web:
https://www.rocscience.com/products/8/Slide
https://www.rocscience.com/products/8/Slidehttps://www.rocscience.com/products/8/Slidehttps://www.rocscience.com/products/8/Slidehttps://www.rocscience.com/products/8/Slide -
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4.1.2 Geo-Slope
Programa parar calcular el Factor de Seguridad enladeras de tierra o rocosas
La geometra se puede introducir con CAD
Usa la teora del equilibrio lmite, equilibrio de fuerzas yde momentos.
Capaz de modelar suelos heterogneos o estratigrafascomplejas
Los datos de entrada usado son del tipo determinstico oprobabilstico
Las tensiones se calculan mediante elementos finitos yse aaden al calculo de equilibrio lmite
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4.1.2 Geo-Slope
Algunos de los mtodos de equilibrio lmite que incluyeson: Morgenstern-Price, GLE, Spencer, Bishop, Ordinaryy Janbu.
Modelos de resistencia del suelo incluyen Mohr-
Coulomb, bilineal, no drenado, fuerzas anistropas, etc. Aplicaciones
Estabilidad de pendientes naturales (suelos o rocas)
Excavaciones inclinadas
Terraplenes Estructuras de retencin (anclajes, refuerzos, etc.)
Grietas de tensin
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Web: http://www.geo-slope.com/
http://www.geo-slope.com/http://www.geo-slope.com/http://www.geo-slope.com/http://www.geo-slope.com/ -
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4.1.3 STABL
Programa parar calcular el Factor de Seguridad enladeras de tierra o rocosas
Basado en el mtodo de equilibrio lmite
Los datos se introducen con un simple archivo de datos(.dat) Geometra (segmentos, lneas internas y contorno/superficie)
Materiales
Superficie de rotura (Bishop, Bishop Simplificado, Janb
generacin aleatoria de crculos) Capaz de modelar con la influencia del agua. Talud
sumergido
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4.1.3 STABL
http://www.geo-slope.com/downloads/2007.aspx
http://www.foundationengineering.info/software/slopes/
http://www.geo-slope.com/downloads/2007.aspxhttp://www.foundationengineering.info/software/slopes/http://www.foundationengineering.info/software/slopes/http://www.foundationengineering.info/software/slopes/http://www.foundationengineering.info/software/slopes/http://www.geo-slope.com/downloads/2007.aspxhttp://www.geo-slope.com/downloads/2007.aspxhttp://www.geo-slope.com/downloads/2007.aspxhttp://www.geo-slope.com/downloads/2007.aspxhttp://www.geo-slope.com/downloads/2007.aspx -
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Programas de Anlisis
cinemtico y estereogrfico
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4.2.1 DIPS
Anlisis cinemtico planar , cua y vuelco Interfaz grfica
Anlisis interactivo de orientacin basadadatos geolgicos
Proyeccin estereogrfica
Analizar y visualizar datos estructurales
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4.2.1 DIPS
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Web:https://www.rocscience.com/products/1/Dips
https://www.rocscience.com/products/1/Dipshttps://www.rocscience.com/products/1/Dipshttps://www.rocscience.com/products/1/Dipshttps://www.rocscience.com/products/1/Dips -
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Programas de cada de
bloques
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4.3.1 CRSP
CRSP (Colorado Rockfall Simulation Program), formaparte de los programas GeoStru
Simulacin 2D de desprendimientos de rocas
Mtodos de clculo: LUMPED MASS method y CRSP
Rocas con forma de esferas , cilindros o discos , conuna seccin transversal circular en el plano vertical delmovimiento.
El software tiene un interfaz con otros programasGeoStru para generar de forma automtica secciones deun plano o secciones topogrficas.
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4.3.1 CRSP
Inputs Manual (grficamente)
Tabla numrica
Importar Excel, DXF, perfiles topogrficos o rasters de imgenes
Generacin automtica de las secciones topogrficas a analizar
La fiabilidad del modelo se verific mediantecomparaciones entre los resultados numricos y los
resultados obtenidos a partir de ensayos in situ.
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4.3.1 CRSP
Las trayectorias de cada se pueden dividir en lassiguientes zonas : Zona de trnsito y zona de parada del 70 % de los bloques
Zona de parada del 95 % de los bloques
Zona de parada del 100 % de los bloques*Para estas reas se asignan las clases de riesgorelativos.
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Web:
http://www.geostru.com/EN/prodotti_software.aspx
http://www.geostru.com/EN/prodotti_software.aspxhttp://www.geostru.com/EN/prodotti_software.aspxhttp://www.geostru.com/EN/prodotti_software.aspxhttp://www.geostru.com/EN/prodotti_software.aspx -
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4.3.2 Rocfall
Diseado para ayudar en la evaluacin de lasladeras con riesgo de desprendimientos de rocas
Intenta reproducir la localizacin finale de losbloques
Puede ayudar en la determinacin de las medidascorrectivas
Se puede describir los materiales por segmentos
Tiene en cuenta la energa cintica y la ubicacindel impacto en una barrera
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4.3.2 Rocfall
El generador de informes de resultados RocFalles sencillo
Para determinar los coeficientes de restitucin,
incluye tabla de coeficientes de restitucin,mesas de friccin dinmica y coeficientes defriccin de rodadura , as como la densidad de laroca
Los grficos se pueden exportar a Excel Importar en un programa CAD
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Web:https://www.rocscience.com/products/12/RocFall
5 Otros
https://www.rocscience.com/products/12/RocFallhttps://www.rocscience.com/products/12/RocFallhttps://www.rocscience.com/products/12/RocFallhttps://www.rocscience.com/products/12/RocFall -
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5. Otros5.1 UDEC y 3DEC
Programa basado en la aproximacin por elementosdiscretos. Universal Distinct Element Code (UDEC).
Simula la respuesta cuasi-esttica o dinmica deelementos con juntas.
El medio discontinuo se representa como un conjunto debloques discretos y las discontinuidades son los lmitesde estos. *Puede contener bloques rgidos y bloquesdeformables.
Utiliza un esquema de solucin explcita que puedemodelar los comportamientos complejos no lineales.
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5.1 UDEC y 3DEC
Bloques deformables definidos por una malla continuade diferencias finitas, puede estar por zonas con leyesde tensin-deformacin no lineal o con condicionesprescritas
Permite aplicar distintos modelos y propiedades porseparado a los conjuntos individuales o entre lasdiscontinuidades
El movimiento a lo largo de las discontinuidades que se
rigen por las relaciones de fuerza-desplazamientolineales o no lineales y de los movimientos tanto de ladireccin normal y cortante
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5.1 UDEC y 3DEC
Modelos incluidos: elstico, anistropo, Mohr-Coulomb ,Drucker Prager, plasticidad bilineal, reblandecimiento delsuelo, arrastrarse, y cualquier que pueda definir elusuario
Usado en una amplia variedad de anlisis como:Estabilidad de taludes, excavaciones subterrneasprofundas, microsismicidad, presas y cimentaciones enpresas, etc.
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