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DRAC

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Código basado en MEF

DRAC es un código basado en el Método de Elementos Finitos (MEF) íntegramente desarrollado internamente en el grupo de Mecánica de Materiales (MECMAT) de la Universitat Politècnica de Catalunya (UPC).

DRAC es un código de Elementos Finitos (EF) no lineal que contiene elementos junta cohesivos de espesor nulo para resolver problemas de mecánica de suelos, rocas y hormigón, con el fin de simular discontinuidades y superficies de contacto.

DRAC posee diversas propiedades que lo hacen altamente versátil y robusto. En primer lugar, incluye el acoplamiento (fully coupled) termo-hidro-mecánico y la posibilidad de acoplamiento químico (THM-C) mediante una estrategia staggered, permitiendo un análisis detallado de los procesos térmicos, hidráulicos y mecánicos en sistemas geomecánicos complejos. Además, cuenta con una formulación especializada para el estudio de flujos multifase en medios porosos. Su capacidad de operar en entornos distribuidos de alto rendimiento (HPC) garantiza un procesamiento eficiente de datos y simulaciones de gran envergadura.

Modelos constitutivos

Elementos del continuo, junta y barra con leyes constitutivas basadas en mecánica elástica, elastoplástica, viscoelástica y de fractura.

Fracturas discretas

Los elementos junta sin espesor son un tipo de elementos que se colocan entre los elementos del continuo para representar fracturas discretas.

Capacidades HPC

Programación paralela en computación de alto rendimiento, conocido como high performance computing (HPC).

Acoplamientos físicos

Resuelve problemas en estrategias monolíticas y escalonadas. Acoplamiento THM en aproximación monolítica/escalonada.

Mecánica configuracional

La mecánica configuracional es la relación entre el cambio de energía elástica global causada por cambios en la geometría estructural.

Ataque químico

El código de EF incorpora un modelo de reacción de difusión para simular el proceso de degradación química.

Sismicidad inducida

La inyección de fluidos en medio geológico (inyección de CO₂, fractura hidráulica, etc.) pueden inducir eventos sísmicos, como la reactivación de fallas.

Flujo multifase

Flujo simultáneo de las fases fluidas tanto del agua como del gas a través de un medio poroso (roca).

Modelos constitutivos

Librería de modelos constitutivos propios que permiten modelar el comportamiento tenso-deformacional.

Continuo: Elástico, elastoplástico, viscoelástico (Maxwell), veiscoplástico (Perzyna), Microplane (Carol et al. 1992, Carol and Bazant 1997 ), daño, Hoek-Brown.
ZT: Elástico, elastoplástico, elastoplástico de fractura (Carol et al. 1997, Caballero et al. 2008), viscoplástico (Aliguer et al. 2017), daño
Barra: Elástico, elastoplástico

Leyes de fractura:
(a) Superficie de fluencia hiperbólica F y potencial plástico Q
(b) Evolución de la superficie de fractura
(c) Modos de fractura
(d) Leyes de softening para los parámetros: resistencia a tracción y cohesión.

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Fracturas discretas: Elementos junta sin espesor

Los elementos junta sin espesor son un tipo de elementos que se colocan entre los elementos del continuo para representar fracturas discretas (Gens et al. 1995).

La integración se realiza en el plano medio y para ello las variables nodales (desplazamientos, presiones y temperaturas) se transportan al plano medio como desplazamientos relativos, valores medios y saltos de presión y temperatura (Segura and Carol 2008).

$fracturas discretas$

Descripción gráfica de un elemento junta con espesor nulo, donde los campos correspondientes al plano de fisura se representan en el plano medio. Ejemplo de una interfaz cuadrilátera entre dos elementos hexaédricos del continuo.

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Capacidades HPC

Programación paralela en computación de alto rendimiento, conocido como high performance computing (HPC).

Investigación propia relacionada con este ámbito: Garolera, D. (2017), Pérez, A. (2019).

Gráfico de Speed up* para distintas discretizaciones.

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Acoplamientos físicos (Acoplamientos hidromecánico) HM

DRAC resuelve problemas acoplados de HM tanto en estrategias monolíticas como escalonadas (staggered). Resuelve mediante el flujo de Darcy en los elementos continuos, y se utiliza un enfoque conceptualmente similar que incluye el flujo longitudinal y transversal para los elementos junta a través de la ley cúbica.

Mecánico: Equilibrio mecánico
Hidráulico: Darcy
Térmico: Fick

Investigación propia relacionada con este ámbito: Segura and Carol 2008 part I, Segura and Carol 2008 part II, Garolera 2017, Pérez 2019.

Evolución de tensión 𝜎_𝑦 en el continuo (MPa) y apertura relativa normal desplazamiento en las fracturas abiertas (mm) sobre la malla deformada (×5000).

Diagrama de acoplamiento Térmico, Hidráulico y Mecánico (THM).

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Mecánica configuracional

DRAC permite la modificación de la geometría estructural (configuración) de la malla de elementos finitos para reproducir trayectorias de propagación de fisuras más realistas. Este cambio de ubicación se basa en la teoría de la Mecánica Configuracional, y es capaz de predecir trayectorias de fractura en términos de energía global mediante un proceso iterativo (Crusat 2019, Crusat et al. 2021).

Evolución y realineación (basada en la teoría de la Mecánica Configuracional) de las fisuras de una viga de hormigón durante el proceso de fractura.

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Ataque químico

El código de EF incorpora un modelo de reacción de difusión para simular el proceso de degradación química. La degradación química se introduce en la ley constitutiva de los elementos junta elastoplásticos sin espesor cuando se reducen los parámetros de resistencia mecánica (Liaudat et al. 2018, Liaudat et al. 2018, Barandiarán et al. 2019).

Sección sobre la simulación 3D de un bloque de hormigón sometido a ataque químico.

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Sismicidad inducida

La actividad humana como la inyección geológica de CO₂, la fractura hidráulica, etc. pueden inducir eventos sísmicos, como la reactivación de fallas. Estos episodios son muy inestables y esto dificulta su modelado numérico, ya que las soluciones iterativas pueden no converger fácilmente. Para controlar este proceso iterativo, DRAC incorpora un modelo de reblandecimiento de trabajo viscoplástico basado en energía para elementos junta sin espesor, y se resuelve mediante una estrategia de integración de tensión controlada (stress-driven).

Investigación propia relacionada con este ámbito: Jaqués 2022.

Inestabilidad inducida por inyección de fluido en un punto único. La imagen de la izquierda muestra la malla de elementos finitos usada en ésta simulación, mientras que la figura de la derecha representa la energía elástica al final del proceso.

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Flujo Multifase

DRAC permite la modelación de flujo multifase de dos fases fluidas a través de roca fracturada teniendo en cuenta una fase líquida y una gaseosa, así como dos especies: agua y gas seco. Además, se considera que el líquido puede evaporarse, por tanto, la fase gaseosa puede estar compuesta por ambas especies.

Investigación propia relacionada con este ámbito: Barandiarán et al. 2022.