[pt] Desmontes de maciços rochosos são geralmente executados pela perfuração da rocha,colocação de explosivos no interior dos furos e a detonação das cargas de acordo com um plano de fogo preestabelecido. A detonação gera no interior das perfurações uma elevação súbita de temperatura e um grande volume de gás que, devido às pequenas dimensões dos furos, aplica altas pressões em suas paredes. Como resultado da pressurização dos furos,ocorrem o esmagamento e fraturamento da rocha situada nas vizinhanças e a propagação de fortes ondas de tensão pelo interior do maciço.O engenheiro de desmontes deve conhecer as propriedades de resistência e de deformabilidade dos materiais rochosos quando submetidos a carregamentos dinâmicos e compreender a natureza das forças dinâmicas geradas pela detonação das cargas explosivas. Em vista da complexidade do problema real, faz-se muitas vezes simplificações no modelo matemático de comportamento do maciço rochoso, como a introdução das hipóteses de que a rocha na região do desmonte é isotrópica e homogênea, o que na grande maioria das situações é adequado para compreensão dos mecanismos gerados pela detonação e de seus efeitos. Neste trabalho desenvolve-se um programa computacional para simulação do fraturamento dinâmico de um maciço rochoso, isotrópico, homogêneo e de comportamento frágil, a partir da explosão de um ou mais furos de detonação, pelo método dos elementos finitos. No modelo numérico, o fraturamento dinâmico ocorre devido à propagação das ondas de tensão, desconsiderando-se a influência da pressão dos gases no interior das fraturas.O software apresenta como principais características a geração automática de malha de elementos finitos durante o processo de fraturamento, a integração numérica das equações de movimento no domínio do tempo, o emprego de critérios baseados nos fatores de intensidade de tensão para análise da propagação das fraturas, a utilização de amortecedores viscosos nos contornos da malha para simulação da radiação de ondas, a imposição da impenetrabilidade entre paredes de fraturas, o que torna o problema de natureza não- linear, etc. Os estudos numéricos aqui apresentados analisam o desenvolvimento de fraturas a partir da explosão em um e dois furos de detonação, investigando aspectos como a influência do número e da distribuição de fraturas principais, abertura e fechamento dinâmico de fraturas, etc., além de discutir dificuldades numéricas relacionadas com a simulação de tão complexo fenômeno. / [en] Rock blasting are usually carried out by drilling slender holes into a rock mass and detonating explosive charges in their interiors. The detonation produces a fast increase in the temperature surrounding the holes and a huge gas expansion that will apply high pressures on the walls. Crushing and fracturing of the rock will occur as a consequence of the shock waves generated by this dynamic loading. Blasting engineer should know the strength and deformation characteristics of rocks under dynamic loading in order to better understand and estimate the effects caused by the explosion. Rock blasting is a very complicate problem whose simulation, to avoid insurmountable mathematical difficulties, needs to be developed under some simplifying assumptions such as isotropy, linear elasticity and brittle behavior of the material. In this work a computational program based on the finite element method was developed for dynamic analyses of rock blasting. The fracturing is considered to be primarily caused by the stresses induced by P and SV waves. The effects of the gas pressure inside the fractures were neglected at the time being. The software has the following main features: automatic generation of finite element meshes while fracturing is still detected in the rock mass, numerical integration of the equations of motion in the time domain, use of fracture propagation criteria based on stress intensity factors in mixed mode I-II, consideration of silent mesh boundaries to absorb the incident stress waves and a penalty method to enforce the impenetrability condition between the surfaces of a same fracture, etc. The numerical examples herein presented qualitatively indicate that the proposed model is satisfactory for the case of dynamic fracturing of brittle rocks. They also discuss several important aspects related to the numerical simulation, such as the number and distribution of predominant fractures around the blasting hole, the finite element size, loss of symmetry due to mesh configurations, etc.

[pt] O estudo de iniciação e propagação de fraturas em rochas devido à energia gerada por explosões é uma tarefa desafiadora em mecânica computacional dada a natureza multifísica e multi-escala do fenômeno. Uma das técnicas utilizadas para simulação deste processo pelo método dos elementos finitos consiste em acompanhar a evolução de fraturas no tempo, com atualizações frequentes da malha de elementos, o que torna as análises demoradas e complicadas, com perda de precisão numérica no processo de atualização dos valores calculados em pontos da malha antiga para os pontos correspondentes da malha nova. O método estendido dos elementos finitos (XFEM) permite a incorporação de enriquecimentos locais, i.e. de um conjunto de funções de interpolação enriquecidas que fornecem valores das variáveis de interesse (deslocamentos, tensões) com maior precisão e eficiência computacional. Além disso, é importante ressaltar, que a presença da fratura, e sua propagação no tempo através da rocha, não é geometricamente modelada e a malha de elementos não precisa ser constantemente atualizada. Quatro diferentes abordagens são examinadas para simular o processo de fraturamento na rocha, com a comparação entre os respectivos resultados: o método XFEM, os elementos de interface coesivas, os elementos finitos com singularidade e a técnica de eliminação de elementos que remove elementos da malha, simulando o fraturamento, quando os mesmos atingem a ruptura de acordo com algum critério. Nesta pesquisa, o método XFEM é aplicado para investigar o desmonte de rocha com base no método dos nós fantasma onde as descontinuidades nos campos de deslocamentos são introduzidas através de novos graus de liberdade em elementos sobrepostos. O maciço rochoso considerado é um granito admitido isotrópico no meio homogêneo ou heterogêneo que tem comportamento elástico linear até o início da quebra, onde a propagação de fraturas utiliza o modelo de zona coesiva. Alguns exemplos numéricos são apresentados aspectos relacionados com o fraturamento de um maciço rochoso sujeito a explosão, a fim de discutir as vantagens e limitações. Além disso, os resultados numéricos são comparados com os obtidos por outros autores utilizando diferentes abordagens numéricas. / [en] The study of propagation of fractures in rocks due to the energy generated by explosions is a challenging task in computational mechanics given the multiphysics and multiscale nature of the phenomenon. One of the most widely used methods for simulation of this process is the finite element method, which follows the time evolution of fractures, with frequent updates of mesh elements to represent the new geometry of the newly fractured material. This approach, besides being computationally time consuming and difficult for the necessity of constant rebuilding meshes, also results in the loss of numerical accuracy when the variables of interest are mapped and interpolated from the old mesh to the Gauss points and nodal points the new mesh. The Extended Finite Element Method (XFEM) local enrichment functions to be easily incorporated into a finite element approximation. The presence of fracture is ensured by the special enriched functions in conjunction with additional degrees of freedom with greater accuracy and computational efficiency. Furthermore, it is important to note that does not require the mesh to match the geometry of the fracture. It is a very attractive and effective way to simulate initiation and propagation of a crack along an arbitrary, solution-dependent path without the requirement of remeshing. Four different approaches are examined to simulate the rock fracturing process, with comparison between respective results: the XFEM, the interelement crack method, the conventional finite element method (FEM) using a remeshing technique and based on the linear fracture mechanics and the element deletion method with Rankine failure-type material model to simulate discrete rock fracture. In this research, XFEM is applied to investigate rock blasting based on the phantom node method where discontinuities in the displacement fields are introduced through new degrees of freedom in overlapping elements. The rock mass considered is a sound granite admitted as an isotropic, homogeneous or heterogeneous medium that remains linear elastic right up the moment of breakage, and then the propagation of cracks using the cohesive zone model. Several numerical examples are presented aspects related to the fracturing of a rock mass under the effect of blast-induced dynamic pressure pulse, in order to discuss the advantages and limitations of each of the aforementioned approaches. Furthermore, the numerical results are compared with those obtained by other authors using different numerical approaches.