[pt] O processo de fraturamento de materiais quase-frágeis requer atenção especial para a predição da direção de propagação de fraturas. A simulação do fraturamento com o método dos elementos finitos (MEF) tem como desvantagem a dependência da trajetória da fratura com respeito à malha adotada. Além disso, há certa dificuldade para os modelos numéricos representarem a fratura em modo misto por conta dos parametros envolvidos. O Método dos Elementos Finitos Estendido (XFEM) é uma técnica que combina o MEF com funções de enriquecimento para representar descontinuidades no campo de deslocamentos. Neste contexto, discutem-se nesta dissertação os critérios para a nucleação e propagação de fraturas e sua implementação no contexto do XFEM. As implementações foram feitas no framework GeMA, um software desenvolvido no Tecgraf / PUC-Rio. Os critérios de propagação de fraturas implementados baseiamse na abordagem das tensões e permitem controlar diferentes geometrias e tamanhos da área de avaliação na ponta da trinca. Um estudo paramétrico é apresentado para modelar uma viga de concreto sob carregamento não proporcional com fratura em modo misto. Foram consideradas diferentes questões como: discretização da malha, zona de avaliação, iniciação e propagação de fraturas e técnicas de controle de solução. Além disso, outros modelos com diferentes condições de contorno foram analisados para validar os critérios em situações complexas. As constatações paramétricas obtidas através do estudo da viga se monstraram válidas para os demais modelos avaliados. As implementações dos critérios de propagação de fraturas no XFEM, demonstraram excelentes concordâncias nas simulações das trajetórias de fraturamento, comparado com os dados experimentais. / [en] The fracture process of quasi-brittle materials requires special attention for the prediction of the direction of fracture propagation. The fracture simulation with the finite element method (FEM) has as its disadvantage the dependence of the fracture trajectory with respect to the mesh adopted. Besides, there is some difficulty for numerical models to represent the fracture in mixed mode because of the parameters involved. The Extended Finite Element Method (XFEM) is a technique which combines the FEM with enrichment functions to represent discontinuities in the displacement field. In this context, this dissertation discusses the criteria for nucleation and propagation of fractures and their implementation in the context of XFEM. The implementations were made in the GeMA framework, a software developed at Tecgraf / PUC-Rio. The implemented crack growth criteria is based on the stress approach and allows to control different geometries and sizes of the evaluation area in the crack tip. A parametric study is presented for modeling a concrete beam under nonproportional loading with mixed-mode fracture. Different situations were taken into account such as mesh refinement, geometry and size of the evaluation region, crack initiation and propagation and solution control techniques. Also, several models with different loading and boundary conditions were made to validate the criteria under complex situations. The parametric findings obtained through the study of the beam proved to be valid for the other models. The implementations of the fracture propagation criteria in the XFEM demonstrated excellent agreement in the simulations of the fracture trajectories compared to the experimental data.

[pt] A previsão do comportamento de materiais quase-frágeis desde o início de sua degradação até o aparecimento de fraturas pode ser apoiada pelo o uso da mecânica do dano contínuo. Efeitos térmicos, além de mecânicos, podem apresentar contribuição significativa na resposta do material e da estrutura. Nesse sentido, o acoplamento entre os distintos ramos da física descrevem a livre conversão da energia em suas diversas formas. O presente trabalho trata do acoplamento térmico em problemas de dano em materiais quase frágeis, em que são abordados o modelo de dano isótropico e os critério de danificação, bem como leis de evolução do dano térmico e mecânico. Além disso, aspectos inerentes à termodinâmica e transferência de calor são explicitados. O efeito térmico na análise estrutural inicia-se com uma investigação sobre os requisitos para que variações de temperatura produzam tensões térmicas e prossegue com um estudo do efeito no material, que reduz as propriedades de módulo de elasticidade, resistência à tração e à compressão além da energia de fratura. No entanto, a modelagem em elementos finitos da degradação da rigidez da estrutura devido ao processo de dano apresenta problemas de dependência da malha, que requerem o uso de técnicas de regularização da solução. Esse tópico é também abordado no trabalho. Exemplos numéricos demonstram os efeitos do acoplamento termomecânico na previsão da integridade de estruturas de materias quase-frágeis. / [en] Predicting the behavior of almost brittle materials in face of material degradation up to fracture is a topic that can be addressed with the use of continuous damage mechanics. Thermal effects, in addition to mechanical ones, may contribute significantly to the structural and material response. In this sense, the coupling between the different branches of physics takes into account the free conversion of energy in its various forms. The present work is about the thermal-mechanical coupling in in quasi-brittle materials, in which the isotropic damage model and the damage criteria are addressed, as well as the laws of evolution of thermal and mechanical damage. In addition, aspects inherent to thermodynamics and heat transfer are explained. The thermal effect in the structural analysis begins with an investigation of the requirements for temperature variations to produce thermal stresses and follows with a study of the effect of temperature on the material, which affects the elasticity module, the tensile and compression strength, in addition to the fracture energy. However, finite element modeling of stiffness degradation due to the damage process leads to problems of dependence on the mesh, which requires the use of regularization techniques, as addressed in this work. Numerical examples demonstrate the effects of thermo-mechanical coupling in the assessment of structure integrity.