1
 The aim of this test is to show that MSEM has the same property of convergence (both in h and N) and stability compared with SEM method: In the first an the second column  (convergence in N and h) we prove that MSEM has spectral convergence in N and algebraic convergence in h .  In the third column we show that our method is obviously stable until CFL condition is verified. Finally  the last graphic displays that we use second order time integration scheme.    n Level 1 Level 1 MSEM-GeoELSE MSEM-GeoELSE PGV                                                        The mortar element method as an effective tool for solving large scale dynamic soil-structure interaction problems The mortar element method as an effective tool for solving large scale dynamic soil-structure interaction problems I. Mazzieri I. Mazzieri (1) (1) , C. Smerzini , C. Smerzini (2) (2) , M. Stupazzini , M. Stupazzini (3) (3)  and F. Rapetti  and F. Rapetti (4) (4)   (1) Dipartimento di Matematica - MOX - Politecnico di Milano, Italy (1) Dipartimento di Matematica - MOX - Politecnico di Milano, Italy (2) ROSE School, Pavia, Italy  (2) ROSE School, Pavia, Italy  (3)  Munich RE, Munich, Germany (3)  Munich RE, Munich, Germany      (4) Université de Nice Sophia-Antipolis, Laboratoire de Mathématiques J.A. Dieudonné, Nice,France      (4) Université de Nice Sophia-Antipolis, Laboratoire de Mathématiques J.A. Dieudonné, Nice,France 2-D seismic response of a railway viaduct in Italy 2-D seismic response of a railway viaduct in Italy Numerical Numerical validation validation Convergence in h Convergence in h Convergence in N Convergence in N Convergence in time Convergence in time Error estimate in L Error estimate in L 2  norm  norm Analyitic solution Analyitic solution Mathematical Framework Mathematical Framework Variational Formulation Variational Formulation Discrete Galerkin Formulation Discrete Galerkin Formulation MSEM - Framework MSEM - Framework Projection operator Q Projection operator Q Solution scheme Solution scheme Master unknonwns Slave unknowns Conclusion Conclusion Level 2 Level 2 Level 3 Level 3 Some remarks Some remarks Anderson Criteria Anderson Criteria       Legend   - Arias Duration   - Energy Duration   - Arias Intensity   - Energy Integral   - Peak Acceleration   - Peak Velocity   - Peak Displacement   - Response Spectra   - Fourier Spectra 10 - Cross Correlation 1 3 5 7 9 R1 R2 1 3 5 7 9 Score 8 – 10   Excellent Fit 6 – 8     Good Fit 4 – 6     Fair Fit  < 4      Poor Fit (J.Anderson, Quantitative measure of the goodness-of-fit of synthetic seismograms, 13th World Conference on Earthquake Engineering Vancouver, B.C., Canada,August 1-6, 2004 Paper No. 243) Band Frequency Limits[Hz] B1 0.05-0.1 B2 0.1-0.2 B3 0.2-0.5 B4 0.5-1.0 B5 1.0-2.0 B6 2.0-5.0 (Miriam Kristekova,  Jozef Kristek, Peter Moczo, and Steven M. Day, Misfit Criteria for Quantitative Comparison of Seismograms, Bulletin of the Seismological Society of America, Vol. 96, No. 5, pp. 1836–1850, October 2006, doi: 10.1785/0120060012) All results are obtained with the code downloadable from http://www.nuquake.sk/Computer_Codes   (Authors:Miriam Kristekova, Jozef Kristek & Peter Moczo ) Deep Structure: Mechanical Parameters Layer    V p [m/s]    V s [m/s]    [Kg/m 3    Q s        B1        2300       1130,0       2800     ?    B2   2300       1130,0       2800     ?      B3        1700         982,5       2600     ?    B4        1100         635,0       2400     ?    B5        1100         635,0       2400     ?    B6        1218         716,7       1750     ? For the spatial approximation spectral degrees SDs are choosen in this way:  (h = mesh size and  Fmax = max value of signal frequency) if  h is approximately Vs/Fmax we choose SD greater or equal 4 if  h is approximately 0.1Vs/Fmax we choose SD less than 4. This lead the choice GeoELSE :SD4 in B1-B6 MSEM-GeoELSE: SD 4 in B1-B4 and SD2 in B5-B6. R1 R2 R1 R2 The meshes has been designed with the aid of CUBIT software (http://cubit.sandia.gov/) while all the computation have been performed with GeoELSE and its new version MSEM-GeoELSE. Conforming ( Spectral nodes 51320 ) Non-Conforming ( Spectral nodes 20661 ) S1 S1 Source term Choice of Spectral Degrees Stability Stability All informations about GeoElse are available on the website http://geoelse.stru.polimi.it/  GeoELSE  is a Spectral Elements code for the study of wave propagation phenomena in 2D or 3D complex domain, developed by CRS4 (Center for Advanced, Research and Studies in Sardinia) and the Politecnico di Milano, DIS (Department of Structural Engineering). The main features of the code are:    1.  Naturally oriented to large scale applications (millions of grid points);    2. Dealing with externally created 3D unstructured meshes (e.g.: CUBIT);    3. Native parallel implementation;    4. Handling the partitioning and load balancing of the computational domain by   incorporating the METIS software library;    5. Implementing of complex constitutive behavior like visco-plasticity or non             linear elasticity;    6. Communicating with other codes through a sub-structuring interface based              upon a domain reduction method;    7. Post-processing output in GID and VTK  format. The MSEM formulation proposed, is designed for the general case: a geometrically non- conforming domain partition where local  meshes are independently generated from the neighbouring ones and  associated with different spectral approximation degrees. In this contribution we have present a first set of benchmark assessing the accuracy and flexibility of the MSEM method, implemented in the well known spectral elements based code GeoELSE (Faccioli et al., 1997 and Stupazzini et al., 2009). We have also illustrate how this approach implemented in the code GeoELSE can be effectively used also for the numerical analysis of DSSI problems, with reference to the 2D seismic response of a railway viaduct in Italy. Functional Spaces Functional Spaces Misfits between the signal obtained with GeoELSE ( - ) and the signal obtained with MSEM-GeoELSElse (--). (Middle) GeoELSE and MSEM-GeoELSE signals, values of the single-valued envelope misfit EM and phase misfit PM. (Top) Time-frequency envelope misfits TFEM(t, f), time envelope misfits TEM (t), and frequency envelope misfits FEM (f). (Bottom) Time-frequency phase misfits TFPM (t, f), time phase misfits TPM (t), and frequency phase misfits FPM (f). Misfit Criteria Misfit Criteria Future Work Future Work In the immediate future we will extend  MSEM-formulation to  overlapping decomposition of the computational domain in order to treat with completly unstructured mesh Analyze the behaviour of this last formulation compared with other formulation known in literature (like honoring or not-honoring SEM formulations)- Extend MSEM-formulation to 3-D problem and implement it in the parallel version of GeoELSE R1 -20 0 20 -0.2 0 0.2 -20 0 20 -0.2 0 0.2 -20 0 20 -20 0 20 -20 0 -20 0 -20 0 -20 0 6 10 6 10 [s] [s] [Hz] [Hz]  10   0   5  -5 -10  10   0   5  -5 -10  10   0   5  -5 -10 0.1 0 0.05 -0.05 -0.1 10 0 10 -1 10 -2 10 0 10 -1 10 -2 EM = 2.63 PM = 2.07 10 0 10 -1 10 -2 [Hz] 10 0 10 -1 10 -2 [Hz] x-component y-component [%] [%] [%] [%] [%] [%] EM = 11.9 PM =   7.1 [%] [%] -0.2 0 0.2 -20 0 20 -20 0 20 -20 0 -20 0 6 10 [s] 10 0 10 -1 10 -2 10 0 10 -1 10 -2 [Hz] [Hz]  10   0   5  -5 -10  10   0  -5  -5 -10 EM = 10.7 PM =   3.4  10   0   5  -5 -10 -20 0 20 -20 0 -20 0 -20 0 20 6 10 [s] 10 0 10 -1 10 -2 10 0 10 -1 10 -2 [Hz] [Hz]  10   0   5  -5 -10 -0.2 0 0.2 EM = 6.23 PM = 2.36 R2 x-component y-component [%] [%] [%] [%] [%] [%] [%] Introduction Introduction

The mortar element method as an effective tool for solving ...frapetti/results/egu_2010_AA.pdf · GeoELSE is a Spectral Elements code for the study of wave propagation phenomena in

  • Upload
    others

  • View
    5

  • Download
    0

Embed Size (px)

Citation preview

Page 1: The mortar element method as an effective tool for solving ...frapetti/results/egu_2010_AA.pdf · GeoELSE is a Spectral Elements code for the study of wave propagation phenomena in

   

The aim of this test is to show that MSEM has the same property of convergence (both in h and N) and stability compared with SEM method:

In the first an the second column  (convergence in N and h) we prove that MSEM has spectral convergence in N and algebraic convergence in h .  

In the third column we show that our method is obviously stable until CFL condition is verified.

Finally  the last graphic displays that we use second order time integration scheme.    

n

Level 1Level 1

MSEM­GeoELSEMSEM­GeoELSE

PGVX                                                        

The mortar element method as an effective tool for solving large scale dynamic soil­structure interaction problemsThe mortar element method as an effective tool for solving large scale dynamic soil­structure interaction problemsI. Mazzieri I. Mazzieri (1)(1), C. Smerzini , C. Smerzini (2)(2), M. Stupazzini , M. Stupazzini (3) (3)  and F. Rapetti  and F. Rapetti (4)(4)

  

(1) Dipartimento di Matematica ­ MOX ­ Politecnico di Milano, Italy (1) Dipartimento di Matematica ­ MOX ­ Politecnico di Milano, Italy (2) ROSE School, Pavia, Italy  (2) ROSE School, Pavia, Italy   (3)  Munich RE, Munich, Germany(3)  Munich RE, Munich, Germany

     (4) Université de Nice Sophia­Antipolis, Laboratoire de Mathématiques J.A. Dieudonné, Nice,France     (4) Université de Nice Sophia­Antipolis, Laboratoire de Mathématiques J.A. Dieudonné, Nice,France

2­D seismic response of a railway viaduct in Italy2­D seismic response of a railway viaduct in Italy

Numerical Numerical validationvalidation

Convergence in hConvergence in hConvergence in NConvergence in N Convergence in timeConvergence in time

Error estimate in LError estimate in L22 norm norm

Analyitic solutionAnalyitic solution

Mathematical FrameworkMathematical Framework

Variational FormulationVariational Formulation

Discrete Galerkin FormulationDiscrete Galerkin Formulation

MSEM ­ FrameworkMSEM ­ Framework

Projection operator QProjection operator Q

Solution schemeSolution scheme

Master unknonwnsSlave unknowns

Conclusion Conclusion 

Level 2Level 2 Level 3Level 3

Some remarksSome remarks

Anderson CriteriaAnderson Criteria

      Legend

1   ­ Arias Duration

2   ­ Energy Duration

3   ­ Arias Intensity

4   ­ Energy Integral

5   ­ Peak Acceleration

6   ­ Peak Velocity

7   ­ Peak Displacement

8   ­ Response Spectra

9   ­ Fourier Spectra

10 ­ Cross Correlation 

1 3 5 7 9

R1

R2

1 3 5 7 9

Score8 – 10   Excellent Fit6 – 8     Good Fit4 – 6     Fair Fit < 4      Poor Fit

(J.Anderson, Quantitative measure of the goodness­of­fit of synthetic seismograms, 13th World Conference on Earthquake Engineering Vancouver, B.C., Canada,August 1­6, 2004 

Paper No. 243)

Band Frequency Limits[Hz]B1 0.05­0.1B2 0.1­0.2B3 0.2­0.5B4 0.5­1.0B5 1.0­2.0B6 2.0­5.0

(Miriam Kristekova,  Jozef Kristek, Peter Moczo, and Steven M. Day, Misfit Criteria for Quantitative Comparison of Seismograms, Bulletin of the Seismological Society of America, Vol. 96, No. 5, pp. 1836–1850, October 2006, doi: 10.1785/0120060012)All results are obtained with the code downloadable from http://www.nuquake.sk/Computer_Codes  (Authors:Miriam Kristekova, Jozef Kristek & Peter Moczo )

Deep Structure: Mechanical ParametersLayer    V

p[m/s]    V

s[m/s]    [Kg/m3]    Q

s    

   B1        2300       1130,0       2800     ?   B2   2300       1130,0       2800     ?      B3        1700         982,5       2600     ?   B4        1100         635,0       2400     ?   B5        1100         635,0       2400     ?

     B6        1218         716,7       1750     ?

For the spatial approximation spectral degrees SDs are choosen in this way:  (h = mesh size and  Fmax = max value of signal frequency)

if  h is approximately Vs/Fmax we choose SD greater or equal 4if  h is approximately 0.1Vs/Fmax we choose SD less than 4.

This lead the choiceGeoELSE :SD4 in B1­B6MSEM­GeoELSE: SD 4 in B1­B4 and SD2 in B5­B6.

R1R2

R1

R2

The meshes has been designed with the aid of CUBIT software (http://cubit.sandia.gov/) while all the computation have been performed with GeoELSE and its new version MSEM­GeoELSE.

Conforming( Spectral nodes 51320 )

Non­Conforming( Spectral nodes 20661 )

S1S1

Source term

Choice of Spectral Degrees

StabilityStability

All informations about GeoElse are available on the website http://geoelse.stru.polimi.it/ 

GeoELSE    is  a  Spectral  Elements  code  for  the  study  of  wave  propagation phenomena  in  2D  or  3D  complex  domain,  developed  by  CRS4  (Center  for Advanced, Research and Studies  in Sardinia)  and  the Politecnico di Milano, DIS (Department of Structural Engineering).

The main features of the code are:   1.  Naturally oriented to large scale applications (millions of grid points);

   2. Dealing with externally created 3D unstructured meshes (e.g.: CUBIT);

   3. Native parallel implementation;

   4. Handling the partitioning and load balancing of the computational domain by    incorporating the METIS software library;

   5. Implementing of complex constitutive behavior like visco­plasticity or non              linear elasticity;

   6. Communicating with other codes through a sub­structuring interface based               upon a domain reduction method;

   7. Post­processing output in GID and VTK  format.

The  MSEM  formulation  proposed,  is  designed  for  the  general  case:  a  geometrically  non­conforming  domain  partition  where  local    meshes  are  independently  generated  from  the neighbouring ones and  associated with different spectral approximation degrees. 

In this contribution we have present a first set of benchmark assessing the accuracy and flexibility of  the  MSEM  method,  implemented  in  the  well  known  spectral  elements  based  code  GeoELSE (Faccioli et al., 1997 and Stupazzini et al., 2009).

We have also  illustrate how  this  approach  implemented  in  the code GeoELSE can be  effectively used also for the numerical analysis of DSSI problems, with reference to the 2D seismic response of a railway viaduct in Italy.

Functional SpacesFunctional Spaces

Misfits between the signal obtained with GeoELSE ( ­ ) and the signal obtained with MSEM­GeoELSElse (­­). (Middle) GeoELSE and MSEM­GeoELSE signals, values of the single­valued envelope misfit EM and phase misfit PM. (Top) Time­frequency envelope misfits TFEM(t, f), time envelope misfits TEM (t), and frequency envelope misfits FEM (f). (Bottom) Time­frequency phase misfits TFPM (t, f), time phase misfits TPM (t), and frequency phase misfits FPM (f).

Misfit CriteriaMisfit Criteria

Future WorkFuture WorkIn the immediate future we will extend  MSEM­formulation to  overlapping decomposition of the computational domain in order to treat with completly unstructured mesh

Analyze the behaviour of this last formulation compared with other formulation known in literature (like honoring or not­honoring SEM formulations)­

Extend MSEM­formulation to 3­D problem and implement it in the parallel version of GeoELSE 

R1

­20

0

20

­0.2

0

0.2

­20

0

20

­0.2

0

0.2­20

0

20

­20

0

20

­20 0

­20 0­20 0

­20 0

0  2  4  6 8  100  2  4  6 8  10[s] [s]

[Hz]

[Hz]

 10

  0

  5

 ­5

­10

 10

  0

  5

 ­5

­10

 10

  0

  5

 ­5

­10

0.1

0

0.05

­0.05

­0.1

100

10­1

10­2

100

10­1

10­2

EM = 2.63PM = 2.07

100

10­1

10­2

[Hz]

100

10­1

10­2

[Hz]

x­component y­component

[%]

[%]

[%]

[%][%]

[%]

EM = 11.9PM =   7.1

[%]

[%]

­0.2

0

0.2

­20

0

20

­20

0

20

­20 0

­20 0

0  2  4  6 8  10[s]

100

10­1

10­2

100

10­1

10­2

[Hz]

[Hz]

 10

  0

  5

 ­5

­10

 10

  0

 ­5

 ­5

­10

EM = 10.7PM =   3.4

 10

  0

  5

 ­5

­10

­20

0

20­20 0

­20 0

­20

0

20

0  2  4  6 8  10[s]

100

10­1

10­2

100

10­1

10­2

[Hz]

[Hz] 10

  0

  5

 ­5

­10

­0.2

0

0.2

EM = 6.23PM = 2.36

R2x­component y­component

[%]

[%]

[%]

[%]

[%]

[%]

[%]

IntroductionIntroduction