Este trabalho apresenta um novo modelo numérico para simulação de juntas de argamassa em estruturas de alvenaria no plano via método dos elementos finitos. Neste modelo, blocos de alvenaria e juntas de argamassa são representados separadamente. Elementos finitos com alta razão de aspecto são utilizados para representar as juntas de argamassa e são inseridos na malha de elementos finitos através de uma técnica de fragmentação de malha. A principal vantagem desta técnica consiste na utilização de modelos constitutivos contínuos para representar regiões descontínuas, uma vez que seu campo de deformações quando a altura do elemento de interface tende a zero é semelhante ao apresentado pela abordagem de aproximação contínua de descontinuidades fortes. Um modelo constitutivo contínuo baseado na mecânica do dano foi desenvolvido para representar o comportamento dos elementos de interface. Este modelo consegue representar a abertura e fechamento de fraturas, bem como o efeito de atrito em função da tensão de confinamento nas interfaces. Como o objetivo deste trabalho consiste na simulação da formação e propagação de fraturas ao longo das juntas de argamassa, comportamento elástico linear foi atribuindo aos elementos triangulares de três nós utilizados na discretização dos blocos de alvenaria. Vários exemplos numéricos são apresentados. Inicialmente, testes básicos são realizados para demonstrar as principais características do modelo quando submetido a carregamentos de tração, compressão e cisalhamento. Posteriormente, estruturas de alvenaria submetidas a carregamentos estáticos são analisadas e os resultados comparados com as respostas experimentais a fim de validar o modelo proposto. A técnica proposta se mostrou bastante promissora para simulação da formação e propagação de fratura em juntas de argamassa de estruturas de alvenaria. / This work presents a novel numerical model to simulate the failure process in masonry structures subjected to static loads via finite element method. Brick and mortar joints are modeled separately with their own constitutive equations. Interface finite element with high aspect ratio are used to simulate the mortar interface and inserted by the mesh fragmentation technique. The main advantage of this strategy is supported by the fact that, as the aspect ratio of a standard low-order solid finite element increases, the element strains also increase, approaching the same kinematics as the Continuum Strong Discontinuity Approach. A constitutive model was developed, based on the continuum damage mechanics, in order to represent the behavior of the interface finite elements. This model is able to simulate the creation and propagation of cracks, as well as, the frictional effects in dependence on stress confinement on the interfaces. Furthermore, as the objective of this work aims to simulate the failure in the mortar joints, the brick elements are assumed as linear elastic material. Three node standard triangular finite element are used to represent the bricks. Several numerical models are carried out. Initially, basics tests are show in order to demonstrate the main characteristics of the proposed model subjected to tensile, compression and shear loads. Subsequently, masonry structures are subjected to static loads are analyzed and the results compared with the experimental responses in order to validate the proposed model. This technique proved to be very promising for the simulation of failure onset and propagation in mortar joints of masonry structures.

Este trabalho apresenta um novo modelo numérico para simulação de juntas de argamassa em estruturas de alvenaria no plano via método dos elementos finitos. Neste modelo, blocos de alvenaria e juntas de argamassa são representados separadamente. Elementos finitos com alta razão de aspecto são utilizados para representar as juntas de argamassa e são inseridos na malha de elementos finitos através de uma técnica de fragmentação de malha. A principal vantagem desta técnica consiste na utilização de modelos constitutivos contínuos para representar regiões descontínuas, uma vez que seu campo de deformações quando a altura do elemento de interface tende a zero é semelhante ao apresentado pela abordagem de aproximação contínua de descontinuidades fortes. Um modelo constitutivo contínuo baseado na mecânica do dano foi desenvolvido para representar o comportamento dos elementos de interface. Este modelo consegue representar a abertura e fechamento de fraturas, bem como o efeito de atrito em função da tensão de confinamento nas interfaces. Como o objetivo deste trabalho consiste na simulação da formação e propagação de fraturas ao longo das juntas de argamassa, comportamento elástico linear foi atribuindo aos elementos triangulares de três nós utilizados na discretização dos blocos de alvenaria. Vários exemplos numéricos são apresentados. Inicialmente, testes básicos são realizados para demonstrar as principais características do modelo quando submetido a carregamentos de tração, compressão e cisalhamento. Posteriormente, estruturas de alvenaria submetidas a carregamentos estáticos são analisadas e os resultados comparados com as respostas experimentais a fim de validar o modelo proposto. A técnica proposta se mostrou bastante promissora para simulação da formação e propagação de fratura em juntas de argamassa de estruturas de alvenaria. / This work presents a novel numerical model to simulate the failure process in masonry structures subjected to static loads via finite element method. Brick and mortar joints are modeled separately with their own constitutive equations. Interface finite element with high aspect ratio are used to simulate the mortar interface and inserted by the mesh fragmentation technique. The main advantage of this strategy is supported by the fact that, as the aspect ratio of a standard low-order solid finite element increases, the element strains also increase, approaching the same kinematics as the Continuum Strong Discontinuity Approach. A constitutive model was developed, based on the continuum damage mechanics, in order to represent the behavior of the interface finite elements. This model is able to simulate the creation and propagation of cracks, as well as, the frictional effects in dependence on stress confinement on the interfaces. Furthermore, as the objective of this work aims to simulate the failure in the mortar joints, the brick elements are assumed as linear elastic material. Three node standard triangular finite element are used to represent the bricks. Several numerical models are carried out. Initially, basics tests are show in order to demonstrate the main characteristics of the proposed model subjected to tensile, compression and shear loads. Subsequently, masonry structures are subjected to static loads are analyzed and the results compared with the experimental responses in order to validate the proposed model. This technique proved to be very promising for the simulation of failure onset and propagation in mortar joints of masonry structures.

Submitted by PEDRO ROGERIO CLETO null (pedro.constant@gmail.com) on 2016-06-28T20:02:04Z No. of bitstreams: 1 Dissertacao_PedroCleto_VF.pdf: 6736443 bytes, checksum: adef1b42d29662c6340d24f74ffa54ec (MD5) / Approved for entry into archive by Ana Paula Grisoto (grisotoana@reitoria.unesp.br) on 2016-06-30T17:45:25Z (GMT) No. of bitstreams: 1 cleto_pr_me_bauru.pdf: 6736443 bytes, checksum: adef1b42d29662c6340d24f74ffa54ec (MD5) / Made available in DSpace on 2016-06-30T17:45:25Z (GMT). No. of bitstreams: 1 cleto_pr_me_bauru.pdf: 6736443 bytes, checksum: adef1b42d29662c6340d24f74ffa54ec (MD5) Previous issue date: 2016-05-09 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) / A técnica de fraturamento hidráulico é amplamente utilizada na indústria petrolífera para aumentar a permeabilidade da rocha-reservatório numa região próxima ao poço e permitir a extração, e consequente produção, de hidrocarbonetos armazenados em seus poros. Primeiramente a rocha é perfurada criando-se um poço e então injeta-se fluido a uma pressão suficientemente alta para fraturar a rocha. A injeção contínua de fluido permite que as fraturas se propaguem pelo reservatório, formando assim canais de alta permeabilidade. A modelagem e simulação computacional de fraturamento hidráulico são complexas em função da física envolvida no processo. O presente trabalho objetiva o estudo da formação e propagação de fraturas induzidas hidraulicamente em meios rochosos de baixa permeabilidade e também tem o propósito de verificar se a metodologia adotada é capaz de reproduzir características apresentadas num processo de fraturamento hidráulico, como a pressão necessária para causar a ruptura da rocha. Para tal, apresenta-se a técnica de fragmentação da malha utilizando elementos finitos de elevada razão de aspecto (ou elementos de interface) para representar a fratura, aos quais são atribuídas relações constitutivas baseadas na mecânica do dano. Além disso, os elementos de interface também possuem um acoplamento hidromecânico capaz de representar o canal de alta permeabilidade devido à ocorrência da fratura. Os resultados obtidos mostraram que os elementos de interface associados à técnica de fragmentação da malha foram capazes de representar tanto a formação quanto a propagação das fraturas induzidas hidraulicamente. Os resultados também mostraram que as curvas de pressão obtidas corresponderam àquelas idealizadas teoricamente. / The hydraulic fracturing technique is widely used to increase the permeability of reservoirs in the vicinity of the well and to allow the extraction and subsequent production of hydrocarbons trapped in its pores. Firstly, the rock is drilled, creating a well and then a fluid is injected at a sufficiently high pressure to fracture the rock. The continuous fluid injection allows the fractures to propagate through the reservoir, thereby forming some high permeability paths. The computer modeling and simulation of hydraulic fracturing are complex due to the physics involved in the process. This work aims to study the formation and propagation of hydraulically induced fractures in rocky media with low permeability and also aims to verify if the adopted methodology is able to reproduce the characteristics presented in a hydraulic fracturing process, as for instance, the required pressure to cause the breakdown of the rock. For this purpose, it is presented the mesh fragmentation technique using finite elements with a high aspect ratio (or interface elements) to represent the fracture, which are assigned constitutive relations based on damage mechanics. Besides, the interface elements also have a hydromechanical coupling which is able to represent the high permeability path due to the fracture. The results showed that the interface elements associated with the mesh fragmentation technique were able to represent both the formation and the propagation of hydraulically induced fractures. The results also showed that the obtained pressure curves corresponded to those theoretically idealized.

[pt] O presente estudo propõe modelos numéricos robustos para simular os fenômenos presentes nos problemas de propagação de fraturas e migração de fluidos em formações fraturadas. Uma técnica de fragmentação de malha com uma abordagem de zona poro-coesiva é desenvolvida para simular a propagação não planar de fraturas em formações fraturadas. O modelo proposto permite estudar os efeitos dos parâmetros primários sobre a interação de fraturas hidráulicas e naturais. O trabalho desenvolve uma nova formulação hidromecânica 3D do dupla porosidade e dupla permeabilidade aprimorada para a representação mais realista do médio fraturado em simulações de reservatório. O modelo permite estudar o impacto de fraturas naturais de múltiplas escalas e orientações no desempenho do reservatório. Finalmente, o trabalho propõe uma nova metodologia que integra os modelos robustos de propagação de fratura e simulação de reservatório, para aprimorando a avaliação do desempenho da produção. Foram simulados múltiplos cenários de fraturamento hidráulico para avaliar a produção dos reservatórios. Também foram integrados modelos de fratura discreta e dupla porosidade-dupla permeabilidade para estudar os efeitos de fraturas de múltiplas escalas no reservatório estimulado hidraulicamente. Os modelos desenvolvidos foram comparados com testes experimentais, soluções analíticas e numéricas. Os resultados mostram excelente concordância e validam as formulações hidromecânicas. A partir dos resultados numéricos, se identificaram os parâmetros dominantes que influenciam o resultado do fraturamento hidráulico e a produção dos depósitos hidraulicamente estimulados. / [en] The presented study proposes robust numerical models to simulate the phenomena present in fracture propagation and fluid migration problems in fractured media. An innovative mesh fragmentation technique with an intrinsic pore-cohesive zone approach is developed to simulate unrestricted hydraulic fracture propagation in fractured media. The proposed method allows studying the effect of some primary parameters on hydraulic and natural fracture interaction. A new 3D hydromechanical formulation for an enhanced dual-porosity/dual-permeability model is proposed to represent a fractured porous formation more realistically in reservoir simulations. The new model allows the study of the impacts of natural fractures with different orientations at multiple scales on the hydromechanical behavior of the reservoir. Finally, this research work proposes a new methodology that integrates a robust fracture propagation model and reservoir simulation, improving the evaluation of production performance. We simulate several hydraulic fracturing scenarios for the assessment of the cumulative production of the reservoir. Moreover, we combined discrete fracture and enhanced dual porosity-dual permeability models to study the effects of fractures of multiple lengths on the hydraulically stimulated reservoir. The developed models are compared against experimental tests, analytical and numerical solutions. The comparative results show excellent agreement and validate the fully coupled hydromechanical formulations. From the numerical results, it was possible to identify the dominant parameters that influence hydraulic fracturing and the production performance of the hydraulically stimulated deposits.

Este trabalho apresenta uma estratégia numérica desenvolvida usando o método dos elementos finitos para simular o processo de falha de compósitos cimentícios reforçados com fibras de aço. O material é descrito como um compósito composto por três fases: matriz cimentícia (pasta, argamassa ou concreto), fibras descontínuas discretas, e interface fibra-matriz. Um novo esquema de acoplamento para malhas de elementos finitos não-conformes foi desenvolvido para acoplar as malhas geradas independentes, da matriz cimentícia e de uma nuvem de fibras de aço, baseado na utilização de novos elementos finitos desenvolvidos, denominados elementos finitos de acoplamento. Utilizando este esquema de acoplamento, um procedimento não-rígido é proposto para a modelagem do complexo comportamento não linear da interface fibra-matriz, utilizando um modelo constitutivo de dano apropriado para descrever a relação entre a tensão de cisalhamento (tensão de aderência) e deslizamento relativo entre a matriz e cada fibra de aço individualmente. Este esquema também foi adotado para considerar a presença de barras de aço para as análises de estruturas de concreto armado. As fibras de aço são modeladas usando elementos finitos lineares com dois nós (elementos de treliça) com modelo material elastoplástico. As fibras são posicionadas usando uma distribuição randômica uniforme isotrópica, considerando o efeito parede. Uma abordagem contínua e outra descontínua são investigadas para a modelagem do comportamento frágil da matriz cimentícia. Para a primeira, é utilizado um modelo de dano isotrópico com duas variáveis de dano para descrever o comportamento de dano à tração e à compressão. A segunda emprega uma técnica de fragmentação de malha que utiliza elementos finitos degenerados, posicionados entre todos os elementos finitos que formam a matriz cimentícia. Para esta técnica é proposto um modelo constitutivo à tração, compatível com a abordagem descontínua forte contínua, para prever a propagação de fissura. Para acelerar o cálculo e aumentar a robustez dos modelos de dano contínuos para simular o processamento de falhas, um esquema de integração implícito-explícito é utilizado. Exemplos numéricos são apresentados ao longo do desenvolvimento desta tese. Inicialmente, exemplos numéricos com um único reforço são apresentados para validar a técnica desenvolvida e para investigar à influência das propriedades geométricas 7 das fibras e sua posição em relação à superfície de falha. Posteriormente, exemplos mais complexos são considerados envolvendo uma nuvem de fibras. Nestes casos, atenção especial é dada à influência da distribuição das fibras no comportamento do compósito relacionado ao processo de fissuração. Comparações com resultados experimentais demonstram que a aplicação da ferramenta numérica para modelar o comportamento de compósitos cimentícios reforçados com fibras de aço é muito promissora e pode ser utilizada como uma importante ferramenta para melhor entender os efeitos dos diferentes aspectos envolvidos no processo de falha deste material. / This work presents a numerical strategy developed using the Finite Element Method (FEM) to simulate the failure process of Steel Fiber Reinforced Cementitious Composites (SFRCCs). The material is described as a composite made up by three phases: a cementitious matrix (paste, mortar or concrete), discrete discontinuous fibers, and a fiber-matrix interface. A novel coupling scheme for non-matching finite element meshes has been developed to couple the independent generated meshes of the bulk cementitious matrix and a cloud of discrete discontinuous fibers based on the use of special finite elements developed, termed Coupling Finite Elements (CFEs). Using this approach, a nonrigid coupling procedure is proposed for modeling the complex nonlinear behavior of the fiber-matrix interface by adopting an appropriate constitutive damage model to describe the relation between the shear stress (adherence stress) and the relative sliding between the matrix and each fiber individually. This scheme has also been adopted to account for the presence of regular reinforcing bars in the analysis of reinforced concrete structural elements. The steel fibers are modeled using two-node finite elements (truss elements) with a one-dimensional elastoplastic constitutive model. They are positioned using an isotropic uniform random distribution, considering the wall effect of the mold. Continuous and discontinuous approaches are developed to model the brittle behavior of the bulk cementitious matrix. For the former, an isotropic damage model including two independent scalar damage variables for describing the composite behavior under tension and compression is considered. The discontinuous approach is based on a mesh fragmentation technique that employs degenerated solid finite elements in between all regular (bulk) elements. In this case, a tensile damage constitutive model, compatible with the Continuum Strong Discontinuity Approach (CSDA), is proposed to predict crack propagation. To increase the computability and robustness of the continuum damage models used to simulate the failure processes in both of the strategies, an implicit-explicit integration scheme is used. Numerical analyses are performed throughout the presentation of the work. Initially, numerical examples with a single reinforcement are presented to validate the technique and to investigate the influence of the fibers geometrical properties and its position relative to the crack surface. Then, more complex examples involving a cloud of steel fibers are considered. In these cases, special attention is given to the analysis of the influence of the fiber distribution on the composite behavior relative to the cracking process. Comparisons with experimental results demonstrate that the application of the numerical tool for modeling the behavior of SFRCCs is very promising and may constitute an important tool for better understanding the effects of the different aspects involved in the failure process of this material.

Este trabalho apresenta uma estratégia numérica desenvolvida usando o método dos elementos finitos para simular o processo de falha de compósitos cimentícios reforçados com fibras de aço. O material é descrito como um compósito composto por três fases: matriz cimentícia (pasta, argamassa ou concreto), fibras descontínuas discretas, e interface fibra-matriz. Um novo esquema de acoplamento para malhas de elementos finitos não-conformes foi desenvolvido para acoplar as malhas geradas independentes, da matriz cimentícia e de uma nuvem de fibras de aço, baseado na utilização de novos elementos finitos desenvolvidos, denominados elementos finitos de acoplamento. Utilizando este esquema de acoplamento, um procedimento não-rígido é proposto para a modelagem do complexo comportamento não linear da interface fibra-matriz, utilizando um modelo constitutivo de dano apropriado para descrever a relação entre a tensão de cisalhamento (tensão de aderência) e deslizamento relativo entre a matriz e cada fibra de aço individualmente. Este esquema também foi adotado para considerar a presença de barras de aço para as análises de estruturas de concreto armado. As fibras de aço são modeladas usando elementos finitos lineares com dois nós (elementos de treliça) com modelo material elastoplástico. As fibras são posicionadas usando uma distribuição randômica uniforme isotrópica, considerando o efeito parede. Uma abordagem contínua e outra descontínua são investigadas para a modelagem do comportamento frágil da matriz cimentícia. Para a primeira, é utilizado um modelo de dano isotrópico com duas variáveis de dano para descrever o comportamento de dano à tração e à compressão. A segunda emprega uma técnica de fragmentação de malha que utiliza elementos finitos degenerados, posicionados entre todos os elementos finitos que formam a matriz cimentícia. Para esta técnica é proposto um modelo constitutivo à tração, compatível com a abordagem descontínua forte contínua, para prever a propagação de fissura. Para acelerar o cálculo e aumentar a robustez dos modelos de dano contínuos para simular o processamento de falhas, um esquema de integração implícito-explícito é utilizado. Exemplos numéricos são apresentados ao longo do desenvolvimento desta tese. Inicialmente, exemplos numéricos com um único reforço são apresentados para validar a técnica desenvolvida e para investigar à influência das propriedades geométricas 7 das fibras e sua posição em relação à superfície de falha. Posteriormente, exemplos mais complexos são considerados envolvendo uma nuvem de fibras. Nestes casos, atenção especial é dada à influência da distribuição das fibras no comportamento do compósito relacionado ao processo de fissuração. Comparações com resultados experimentais demonstram que a aplicação da ferramenta numérica para modelar o comportamento de compósitos cimentícios reforçados com fibras de aço é muito promissora e pode ser utilizada como uma importante ferramenta para melhor entender os efeitos dos diferentes aspectos envolvidos no processo de falha deste material. / This work presents a numerical strategy developed using the Finite Element Method (FEM) to simulate the failure process of Steel Fiber Reinforced Cementitious Composites (SFRCCs). The material is described as a composite made up by three phases: a cementitious matrix (paste, mortar or concrete), discrete discontinuous fibers, and a fiber-matrix interface. A novel coupling scheme for non-matching finite element meshes has been developed to couple the independent generated meshes of the bulk cementitious matrix and a cloud of discrete discontinuous fibers based on the use of special finite elements developed, termed Coupling Finite Elements (CFEs). Using this approach, a nonrigid coupling procedure is proposed for modeling the complex nonlinear behavior of the fiber-matrix interface by adopting an appropriate constitutive damage model to describe the relation between the shear stress (adherence stress) and the relative sliding between the matrix and each fiber individually. This scheme has also been adopted to account for the presence of regular reinforcing bars in the analysis of reinforced concrete structural elements. The steel fibers are modeled using two-node finite elements (truss elements) with a one-dimensional elastoplastic constitutive model. They are positioned using an isotropic uniform random distribution, considering the wall effect of the mold. Continuous and discontinuous approaches are developed to model the brittle behavior of the bulk cementitious matrix. For the former, an isotropic damage model including two independent scalar damage variables for describing the composite behavior under tension and compression is considered. The discontinuous approach is based on a mesh fragmentation technique that employs degenerated solid finite elements in between all regular (bulk) elements. In this case, a tensile damage constitutive model, compatible with the Continuum Strong Discontinuity Approach (CSDA), is proposed to predict crack propagation. To increase the computability and robustness of the continuum damage models used to simulate the failure processes in both of the strategies, an implicit-explicit integration scheme is used. Numerical analyses are performed throughout the presentation of the work. Initially, numerical examples with a single reinforcement are presented to validate the technique and to investigate the influence of the fibers geometrical properties and its position relative to the crack surface. Then, more complex examples involving a cloud of steel fibers are considered. In these cases, special attention is given to the analysis of the influence of the fiber distribution on the composite behavior relative to the cracking process. Comparisons with experimental results demonstrate that the application of the numerical tool for modeling the behavior of SFRCCs is very promising and may constitute an important tool for better understanding the effects of the different aspects involved in the failure process of this material.