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NOTES ON NUMERICAL MODELING IN GEOMECHANICS

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Referencia: Código 09860


DESCRIPCIÓN:

Abril de 2022  - William G. Pariseau  -  Refª 9860

CONTENIDO:

William G. Pariseau

Abril de 2022       Páginas: 292

Código 9860     ISBN/EAN: 9780367762872

Book Description

This book is an introduction to numerical analysis in geomechanics and is intended for advanced undergraduate and beginning graduate study of the mechanics of porous, jointed rocks and soils. Although familiarity with the concepts of stress, strain and so on is assumed, a review of the fundamentals of solid mechanics including concepts of physical laws, kinematics and material laws is presented in an appendix. Emphasis is on the popular finite element method but brief explanations of the boundary element method, the distinct element method (also known as the discrete element method) and discontinuous deformation analysis are included. Familiarity with a computer programming language such as Fortran, C++ or Python is not required, although programming excerpts in Fortran are presented at the end of some chapters.

This work begins with an intuitive approach to interpolation over a triangular element and thus avoids making the simple complex by not doing energy minimization via a calculus of variations approach so often found in reference books on the finite element method. The presentation then proceeds to a principal of virtual work via the well-known divergence theorem to obtain element equilibrium and then global equilibrium, both expressed as stiffness equations relating force to displacement. Solution methods for the finite element approach including elimination and iteration methods are discussed. Hydro-mechanical coupling is described and extension of the finite element method to accommodate fluid flow in porous geological media is made. Example problems illustrate important concepts throughout the text. Additional problems for a 15-week course of study are presented in an appendix; solutions are given in another appendix.

Table of Contents

1 Introduction 2 Interpolation Over a Triangle 2.1 Linear Theory 2.2 Explicit Formulas 2.3 Linear Strain Triangles 2.4 Programming Comments 3 Derivatives of Interpolation Functions 3.1 Strains 3.2 Hydraulic Gradient 3.3 Axial Symmetry 3.4 Programming Comment 4 Linear Interpolation for a Quadrilateral 4.1 The Generic 4-Node Quadrilateral 4.2 The Isoparametric 4-Node Quadrilateral  5 Derivatives  for a Linear Displacement Quadrilateral 5.1 Chain Rule Application 5.2 Strain–Displacement Matrix 5.3 Programming Comments 6 Element Equilibrium and Stiffness 6.1 Equations from Elasticity 6.2 Principle of Virtual Work 6.3 Element Equilibrium 7 Global Equilibrium and Global Stiffness 7.1 Global Equilibrium 7.2 Global Assembly 7.3 Programming Comment 8 Static Condensation and a 4CST Element 8.1 Static Condensation 8.2 Programming Comment 9 Equation Solving 9.1 Gauss Elimination 9.2 Elimination Boundary Conditions 9.3 Gauss–Seidel Iteration 9.4 Iteration Boundary Conditions 9.5 Programming Comments for Elimination 9.6 Programming Comments for Iteration 10 Material Nonlinearity 10.1 Incremental (Tangent Stiffness) Approach 10.2 Iterative (Modified Newton-Raphson) Approach 11 Time Integration 12 Finite Element Seepage Formulation 12.1 Incompressible flow through a Rigid, Porous Solid 12.2 Compressible Flow through a Deformable, Porous Solid 13 Hydro-mechanical Coupling 13.1 Effective Stress Concept 13.2 Finite Element Formulation 14 Boundary Element Formulations 14.1 Indirect Formulation 14.2 Direct Formulation 15 Distinct Element Formulations 15.1 DEM Formulation 15.2 DDA Formulation 16 Conclusion  Appendix A: REVIEW OF FUNDAMENTAL CONCEPTS  Appendix B: Study Questions  Appendix C: Question Replies  Index

Author(s)

Biography

William Pariseau obtained his B.S. degree in Mining Engineering at the University of Washington (Seattle) following the geological option and subsequently earned a Ph.D. in Mining Engineering at the University of Minnesota with emphasis on rock mechanics and with a minor in applied mathematics. Prior to his Ph.D., he obtained practical experience working for the City of Anchorage, the Alaska Department of Highways, the Mineral Resources Division of the U.S. Bureau of Mines (Spokane), the Anaconda Copper Co. in Butte, Montana, the New York-Alaska Gold Dredging Corp. in Nyac, Alaska. He served in the United States Marine Corps (1953-1956). He maintained a strong association with the former U.S. Bureau of Mines, first with the Pittsburgh Mining Research Center and later with the Spokane Mining Research Center. He is a registered professional engineer and has consulted for a number of commercial and government entities. Currently, he is a professor emeritus and former holder of the Malcolm McKinnon endowed chair in mining engineering at the University of Utah. He joined the Department in 1971 following academic appointments at the Montana College of Science and Technology and the Pennsylvania State University. He has been a visiting academic at Brown University, Imperial College, London, and at the Commonwealth Science and Industrial Research Organization (CSIRO), Australia. He and colleagues have received a number of rock mechanics awards; he was recognized as a distinguished university research professor at the University of Utah in 1991. In 2010, he was recognized for teaching in the College of Mines and Earth Sciences with the Outstanding Faculty Teaching Award. The same year, he was honored by the Old Timers Club with their prestigious Educator Award. He was honored as a Fellow of the American Rock Mechanics Association in 2015.

Descripción del libro

Este libro es una introducción al análisis numérico en geomecánica y está destinado a estudiantes avanzados de pregrado y principiantes en el estudio de la mecánica de rocas y suelos porosos y articulados. Aunque se supone que está familiarizado con los conceptos de tensión, deformación, etc., en un apéndice se presenta una revisión de los fundamentos de la mecánica de sólidos, incluidos los conceptos de las leyes físicas, la cinemática y las leyes de los materiales. El énfasis está en el popular método de elementos finitos, pero se incluyen breves explicaciones del método de elementos de contorno, el método de elementos distintos (también conocido como método de elementos discretos) y el análisis de deformación discontinua. No se requiere familiaridad con un lenguaje de programación de computadoras como Fortran, C++ o Python, aunque al final de algunos capítulos se presentan extractos de programación en Fortran.

Este trabajo comienza con un enfoque intuitivo de la interpolación sobre un elemento triangular y, por lo tanto, evita convertir lo simple en complejo al nohaciendo la minimización de energía a través de un enfoque de cálculo de variaciones que se encuentra tan a menudo en los libros de referencia sobre el método de elementos finitos. Luego, la presentación continúa con un principio de trabajo virtual a través del conocido teorema de la divergencia para obtener el equilibrio de los elementos y luego el equilibrio global, ambos expresados ​​como ecuaciones de rigidez que relacionan la fuerza con el desplazamiento. Se analizan los métodos de solución para el enfoque de elementos finitos, incluidos los métodos de eliminación e iteración. Se describe el acoplamiento hidromecánico y se hace una extensión del método de elementos finitos para acomodar el flujo de fluidos en medios geológicos porosos. Los problemas de ejemplo ilustran conceptos importantes a lo largo del texto. En un apéndice se presentan problemas adicionales para un curso de estudio de 15 semanas; las soluciones se dan en otro apéndice.

Tabla de contenido

1 Introducción 2 Interpolación sobre un triángulo 2.1 Teoría lineal 2.2 Fórmulas explícitas 2.3 Triángulos de deformación lineal 2.4 Comentarios de programación 3 Derivadas de funciones de interpolación 3.1 Deformaciones 3.2 Gradiente hidráulico 3.3 Simetría axial 3.4 Comentario de programación 4 Interpolación lineal para un cuadrilátero 4.1 El cuadrilátero genérico de 4 nodos 4.2 El cuadrilátero isoparamétrico de 4 nodos 5 Derivadas para un cuadrilátero de desplazamiento lineal 5.1 Aplicación de la regla de la cadena 5.2 Deformación –Matriz de desplazamiento 5.3 Comentarios de programación 6 Equilibrio y rigidez de elementos 6.1 Ecuaciones de elasticidad 6.2 Principio del trabajo virtual 6.3 Equilibrio de elementos 7 Equilibrio global y rigidez global 7.1 Equilibrio global 7.2 Ensamblaje global 7.3 Comentario de programación 8 Condensación estática y un elemento 4CST 8.1 Condensación estática 8.2 Comentario de programación 9 Resolución de ecuaciones 9.1 Eliminación de Gauss 9.2 Condiciones de frontera de eliminación 9.3 Gauss –Iteración de Seidel 9.4 Condiciones de contorno de la iteración 9.5 Comentarios de programación para la eliminación 9.6 Comentarios de programación para la iteración 10 No linealidad del material 10.1 Enfoque incremental (rigidez tangente) 10.2 Enfoque iterativo (Newton-Raphson modificado) 11 Integración temporal 12 Formulación de filtración de elementos finitos 12.1 Flujo incompresible a través de un rígido, Sólido poroso 12.2 Flujo compresible a través de un sólido poroso deformable 13 Acoplamiento hidromecánico 13.1 Concepto de tensión efectiva 13.2 Formulación de elementos finitos 14 Formulaciones de elementos de contorno 14.1 Formulación indirecta 14.2 Formulación directa 15 Formulaciones de elementos distintos 15.1 Formulación DEM 15.2 Formulación DDA 16 Conclusión Apéndice A: REVISIÓN DE CONCEPTOS FUNDAMENTALES Apéndice B: Preguntas de estudio Apéndice C: Índice de respuestas a preguntas

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