[pt] Nos últimos anos, os materiais compósitos cimentícios vêm ganhando destaque na indústria da construção civil. Suas excelentes propriedades mecânicas e contribuição para o controle de propagação de fissuras são um atrativo para seu emprego como material de construção. No entanto, normas técnicas para projeto envolvendo estes materiais e estruturas ainda não são consagradas. Uma melhor compreensão do comportamento de materiais cimentícios com adição de fibras requer o estudo de suas fases e da interação entre elas. Análises em diferentes escalas possibilitam esta representação. Tensões e deformações, dano e iniciação de fissuras ocorrem na escala das heterogeneidades e ajudam a explicar e prever o comportamento do concreto em uma escala macroscópica. A modelagem e simulação do comportamento destes compósitos é complexa e desafiadora. Para tal, é necessário definir os principais mecanismos que descrevem o comportamento do material de modo a escolher a descrição matemática adequada. Esta dissertação propõe metodologias para a modelagem numérica multiescala de materiais compósitos cimentícios. A partir de informações obtidas na escala do material, busca-se compreender melhor o comportamento global do compósito. Para isto, serão desenvolvidos métodos numéricos e computacionais baseados no Método dos Elementos Finitos, em técnicas de Inteligência Artificial e nos conceitos da Mecânica do Dano Computacional. Na macroescala, um modelo contínuo equivalente é desenvolvido através de técnicas probabilísticas e de Inteligência Artificial. Na mesoescala, duas abordagens são propostas. A primeira inclui as fibras através de elementos de interface, e a segunda através de um novo elemento compósito fibra-matriz. Os modelos desenvolvidos permitem avaliar a evolução do dano, o processo de propagação de fissuras, e o comportamento global carga-deslocamento do compósito até a ruptura. Resultados experimentais da literatura suportam as conclusões do trabalho. / [en] In recent years, fiber reinforced cement-based materials have gained relevance in the civil engineering industry. Due to its excellent mechanical properties and contribution to crack propagation control, there is a great appeal to its usage as a construction material. However, technical standards for fiber reinforced concrete are still not established. A better understanding of the behavior of cement composite materials requires the representation of the material phases and their interfacial behavior. Stresses and strain distributions, damage evolution and fracture initiation develop at the observation scale of the heterogeneities and help to explain and predict the behavior of concrete at a macroscopic level. The numerical modeling of these composites emerge as challenging and complex problems. For this, it is necessary to define the main mechanisms that describe the material behavior in order to choose the proper mathematical formulation. This dissertation proposes methodologies for the numerical modeling of cement composite materials in a multiscale approach. From the information obtained at the material scale, this work aims at assessing the global behavior of the composite. Numerical and computational procedures will be developed based on the Finite Element Method, Artificial Intelligence techniques and concepts of Computational Damage Mechanics. At the macroscale, an equivalent continuum model is developed through probabilistic and Artificial Intelligence techniques. At the mesoscale, two approaches are proposed. The first includes the fibers through interface elements. The second adopts a new fiber-matrix composite element. With the models developed here, it is possible to evaluate damage evolution, fracture propagation patterns, load-displacement global behavior of the composite upto failure. Experimental results from the literature give support to the conclusions.

[pt] Compósitos cimentícios estão ganhando cada vez mais relevância na indústria da construção civil. No entanto, as diretrizes para o projeto do material compósito e dos seus elementos estruturais são ainda incipientes, pois mecanismos de ponte de transferência de forças providos pelas fibras ainda estão sob investigação. Este trabalho apresenta uma estratégia de modelagem de elementos finitos que leva em consideração a estrutura de nível mesoestrutural do material cimentício reforçado com fibras. Desta forma, quatro fases do material são consideradas no modelo numérico: agregados graúdos, argamassa, zona de transição interfacial (ZTI) e fibras. A argamassa e os agregados são modelados usando elementos contínuos triangulares com comportamento linear-elástico. As fibras são incluídas usando elementos de treliça unidimensionais acopladas a elementos bidimensionais contínuos. Uma técnica de fragmentação de malha é usada para introduzir elementos de interface nas arestas dos elementos de argamassa e na interface entre agregados e argamassa para representar a ZTI. O método Take-and-Place, proposto por Wriggers e Moftah (2006), foi adotado neste estudo para incluir agregados no modelo. Primeiro, os agregados são gerados seguindo uma curva de Fuller, que define um empacotamento entre os agregados perfeitos. Na segunda fase, os agregados são introduzidos no modelo garantindo a não sobreposição entre eles. Finalmente, as fibras são adicionadas. Para validar a metodologia proposta, testes experimentais foram simulados com sucesso em um framework de simulação numérica – GeMA. Por fim, o trabalho explora a influência do empacotamento fibra-agregado na resposta mecânica e nos padrões de fraturamento de compósitos cimentícios fibrosos. / [en] Fiber Reinforced Concrete (FRC) materials are gaining more relevance in the construction industry. However, the guidelines for the design of the composite material and of structural elements thereof are incipient and the stress bridging mechanisms are still under investigation. This work presents a finite element modelling strategy that takes into account the material meso-level structure. Four phases of the FRC material are considered in the model: coarse aggregates, mortar, interfacial transition zone (ITZ), and fibers. The mortar and aggregates are modelled using triangular linear elements with linear–elastic behavior. Fibers are included using one-dimensional truss elements which are coupled to the matrix through the technique proposed by Congro (2021). Zero-thickness interface elements are introduced at the interface between mortar elements, and at the interface between aggregates and mortar to represent the ITZ. The Take-and-Place method, obtained from Wriggers and Moftah (2006), was adopted in this study to include aggregates in the model. First, the aggregates are generated following a Fuller s curve that means a perfect aggregate package. In the second phase, the aggregates are placed in the model without overlapping. Finally, fibers were added. A mesh fragmentation technique is used to introduced zero-thickness interface elements at the interface between mortar elements, and at the interface between aggregates and mortar to represent the ITZ. To validate the proposed methodology, direct tensile test models were successfully reproduced in finite element analyses performed in an in-house framework – GeMA. Based on the obtained results, the authors could explore the influence of the fibers-aggregate packing in the mechanical response of the composite material.