[pt] A representação do comportamento de materiais elastoplásticos a partir de modelos com múltiplas superfícies de plastificação é uma alternativa para representar o comportamento de materiais como concreto, rochas e solos, que apresentam diferentes tipos de resposta não linear, a depender do estado de tensão atuante. No entanto, o emprego desses modelos requer a definição de muitos parâmetros que, por vezes, não possuem significado físico. Além disso, a implementação de modelos elastoplásticos com multiplas envoltórias traz complexidades adicionais. O emprego desse tipo de modelo requer um esquema robusto de integração das equações de evolução das variáveis plásticas. Nessa pespectiva, é apresentado um algoritmo de mapeamento de retorno baseado em um método de otimização sem restrições, o método de Newton-Raphson com busca unidimensional. Propõe-se uma expressão para o tensor constitutivo elastoplástico consistente para modelos com múltiplas superfícies de plastificação. Adicionalmente, apresenta-se uma metodologia de calibração dos parâmetros de tais modelos a partir da solução de um problema de otimização, solucionado via algoritmo genético. Para melhor compreender os parâmetros envolvidos nesse algoritmo, desenvolve-se um estudo paramétrico, solucionando uma série de problemas de otimização global. A robustez e eficácia dos algoritmos são avaliadas por meio de aplicações, dentre elas algumas disponíveis na literatura, num modelo constitutivo idealizado para concreto, rochas e solos: Cap Model. Por fim, calibrase tal modelo, considerando dados experimentais disponíveis na literatura. Assim, este trabalho tem como objetivo contribuir para viabilizar o emprego de modelos elastoplásticos complexos em problemas de engenharia. / [en] Elastoplastic models with multiple plastic surfaces is an alternative to represent the nonlinear behavior of materials such as concrete, rocks and soils. The nonlinear response of these materials depends highly on the stress state. However, these models require the definition of many parameters which do not always have physical meaning. In addition, the implementation of elastoplastic models represented by multiple plastic surfaces brings additional complexities to the analysis. The use of this type of model requires a robust numerical integration scheme of the elastoplastic evolution equations. This work presents two contributions. The first contribution is a robust return mapping algorithm for a multisurface plasticity model in general stress space known as closest point projection algorithm. The return mapping algorithm is based on a numerical method for unconstrained optimization. In this scenario, it is adopted the Newton-Raphson method with line search. A consistent tangent modulus for multisurface plasticity is also proposed. The second contribution is a methodology for parameter calibration. This methodology is formulated as an optimization problem, with the solution obtained through a genetic algorithm. A parametric study is developed in order to better undestand specific parameters of the algorithm, solving global optimization problems. Robustness and effectiveness of the proposed algorithm are evaluated through numerical examples applied to a constitutive model used for modelling concrete, rocks and soils: Cap Model. Applications available in the literature are analysed. Lastly, the parameters of this model are calibrated using experimental data avaliable in the literature. Thus, this work aims at improving the feasibility of the use of complex elastoplastic models in engineering problems.

[pt] A representação matemática de comportamentos complexos em materiais exige formulações constitutivas sofisticada, como é o caso de modelos com múltiplas superfícies de plastificação. Assim, um modelo elastoplástico complexo demanda um procedimento robusto de integração das equações de evolução plástica. O desenvolvimento de esquemas de integração para modelos de plasticidade é um tópico de pesquisa importante, já que estes estão diretamente ligados à acurácia e eficiência de simulações numéricas de materiais como metais, concretos, solos e rochas. O desempenho da solução de elementos finitos é diretamente afetado pelas características de convergência do procedimento de atualização de estados. Dessa forma, este trabalho explora a implementação de modelos constitutivos complexos, focando em modelos genéricos com múltiplas superfícies de plastificação. Este estudo formula e avalia algoritmos de atualização de estado que formam uma estrutura robusta para a simulação de materiais regidos por múltiplas superfícies de plastificação. Algoritmos de integração implícita são desenvolvidos com ênfase na obtenção de robustez, abrangência e flexibilidade para lidar eficazmente com aplicações complexas de plasticidade. Os algoritmos de atualização de estado, baseados no método de Euler implícito e nos métodos de Newton-Raphson e Newton-Krylov, são formulados utilizando estratégias de busca unidimensional para melhorar suas características de convergência. Além disso, é implementado um esquema de subincrementação para proporcionar mais robustez ao procedimento de atualização de estado. A flexibilidade dos algoritmos é explorada, considerando várias condições de tensão, como os estados plano de tensões e plano de deformações, num esquema de integração único e versátil. Neste cenário, a robustez e o desempenho dos algoritmos são avaliados através de aplicações clássicas de elementos finitos. Além disso, o cenário desenvolvido no contexto de modelos com múltiplas superfícies de plastificação é aplicado para formular um modelo elastoplástico com dano acoplado, que é avaliado através de ensaios experimentais em estruturas de concreto. Os resultados obtidos evidenciam a eficácia dos algoritmos de atualização de estado propostos na integração de equações de modelos com múltiplas superfícies de plastificação e a sua capacidade para lidar com problemas desafiadores de elementos finitos. / [en] The mathematical representation of complex material behavior requires a sophisticated constitutive formulation, as it is the case of multisurface plasticity. Hence, a complex elastoplastic model demands a robust integration procedure for the plastic evolution equations. Developing integration schemes for plasticity models is an important research topic because these schemes are directly related to the accuracy and efficiency of numerical simulations for materials such as metals, concrete, soils and rocks. The performance of the finite element solution is directly influenced by the convergence characteristics of the state-update procedure. Therefore, this work explores the implementation of complex constitutive models, focusing on generic multisurface plasticity models. This study formulates and evaluates state-update algorithms that form a robust framework for simulating materials governed by multisurface plasticity. Implicit integration algorithms are developed with an emphasis on achieving robustness, comprehensiveness and flexibility to handle cumbersome plasticity applications effectively. The state-update algorithms, based on the backward Euler method and the Newton-Raphson and Newton-Krylov methods, are formulated using line search strategies to improve their convergence characteristics. Additionally, a substepping scheme is implemented to provide further robustness to the state-update procedure. The flexibility of the algorithms is explored, considering various stress conditions such as plane stress and plane strain states, within a single, versatile integration scheme. In this scenario, the robustness and performance of the algorithms are assessed through classical finite element applications. Furthermore, the developed multisurface plasticity background is applied to formulate a coupled elastoplastic-damage model, which is evaluated using experimental tests in concrete structures. The achieved results highlight the effectiveness of the proposed state-update algorithms in integrating multisurface plasticity equations and their ability to handle challenging finite element problems.