This study develops a 3D meso-scale fracture characterisation and modelling framework for better understanding of the failure mechanisms in concrete, by combining in-situ micro-scale X-ray computed tomography (XCT) experiments and XCT image-based finite element (FE) simulations. Firstly, sophisticated in-situ XCT experiments are conducted on concrete cubes under Brazilian-like, uniaxial and cyclic compression. Proper procedures for XCT image reconstruction and multi-phasic segmentation are identified. The fracture evolution at different loading stages is characterised and visualised as well as the detailed distributions of aggregates and voids. The Young's moduli of aggregate and cement are obtained by micro-indentation tests and used in XCT-image based asymptotic homogenisation simulations to calculate effective elastic constants of concrete cubes. The XCT technique proves very powerful in characterising and visualising the complicated 3D fracture evolution in concrete. The material properties and the segmented 3D images from the experiments are then used for FE fracture simulations with realistic aggregates, cement and voids. Image-based mesh generation algorithms are developed for 2D in a MATLAB code and identified for 3D in Simpleware. Cohesive interface elements are embedded within cement and aggregate-cement interfaces to simulate the complex nonlinear fracture. Extensive simulations of 40mm and 20mm cubes under compression and tension are carried out. Good agreements are achieved between the load-displacement curves and final crack patterns from the simulations and those from the compressive in-situ XCT tests. The XCT image-based modelling proves very promising in elucidating fundamental mechanisms of complicated crack initiation and propagation in concrete.

No contexto do método dos elementos de contorno, este trabalho apresenta comparativamente três formulações em distintos aspectos. Visando a análise de sólidos bidimensionais no campo da mecânica da fratura, primeiramente é estudada a equação singular ou em deslocamentos. Em seguida, a formulação hiper-singular ou em forças de superfície é avaliada. Por último, a formulação dual, que emprega ambas equações é analisada. Para esta análise, elementos contínuos e descontínuos são empregados, equações numéricas e analíticas com ponto fonte dentro e fora do contorno são testadas, usando aproximação linear. A formulação é inicialmente empregada a problemas da mecânica da fratura elástica linear e em seguida extendida a problemas não-lineares, especialmente o modelo coesivo. Exemplos numéricos diversos averiguam as formulações, comparando com resultados analíticos ou disponíveis na literatura. / In this work three boundary elment formulations applied to fracture mechanics are studied. Aiming the analysis of two-dimensional solids with emphasis on the crack problem, the first considered method is the one based on using displacement equations only (singular formulation). The second scheme discussed in this work is a formulation based on the use of traction equations (hyper-singular formulation). Finally the dual boundary element method that uses singular and hyper-singular equations is considered. The numerical schemes have been implemented using continuous and discontinuous linear boundary and crack elements. The boundary and crack integral were all carried out by using analytical expressions, therefore increasing the accuracy of the algebraic system obtained for each one of the studied schemes. The developed numerical programs were applied initially to elastic fracture mechanics and then extended to analyze cohesive cracks. Several numerical examples were solved to verify the accuracy of each one of the studied models, comparing the results with the analytical solutions avaliable in the literature.

No contexto do método dos elementos de contorno, este trabalho apresenta comparativamente três formulações em distintos aspectos. Visando a análise de sólidos bidimensionais no campo da mecânica da fratura, primeiramente é estudada a equação singular ou em deslocamentos. Em seguida, a formulação hiper-singular ou em forças de superfície é avaliada. Por último, a formulação dual, que emprega ambas equações é analisada. Para esta análise, elementos contínuos e descontínuos são empregados, equações numéricas e analíticas com ponto fonte dentro e fora do contorno são testadas, usando aproximação linear. A formulação é inicialmente empregada a problemas da mecânica da fratura elástica linear e em seguida extendida a problemas não-lineares, especialmente o modelo coesivo. Exemplos numéricos diversos averiguam as formulações, comparando com resultados analíticos ou disponíveis na literatura. / In this work three boundary elment formulations applied to fracture mechanics are studied. Aiming the analysis of two-dimensional solids with emphasis on the crack problem, the first considered method is the one based on using displacement equations only (singular formulation). The second scheme discussed in this work is a formulation based on the use of traction equations (hyper-singular formulation). Finally the dual boundary element method that uses singular and hyper-singular equations is considered. The numerical schemes have been implemented using continuous and discontinuous linear boundary and crack elements. The boundary and crack integral were all carried out by using analytical expressions, therefore increasing the accuracy of the algebraic system obtained for each one of the studied schemes. The developed numerical programs were applied initially to elastic fracture mechanics and then extended to analyze cohesive cracks. Several numerical examples were solved to verify the accuracy of each one of the studied models, comparing the results with the analytical solutions avaliable in the literature.

Neste trabalho é apresentada uma teoria para a consideração do esmagamento do concreto aplicada ao método elementos finitos, o Modelo de Trincas Sobrepostas. Neste caso, o esmagamento é considerado através da interpenetração dos elementos finitos. Em conjunto com o já conhecido Modelo de Trincas Coesivas, a abordagem é utilizada para simular o comportamento de vigas de concreto armado com alta taxa de armadura (concreto superarmado). Os experimentos empregados são vigas em flexão a três pontos (dois apoios e uma carga aplicada no centro do vão), onde as barras de aço são substituídas por uma camada de elementos finitos de altura equivalente. Aloca-se uma linha de elementos de interface coesiva verticalmente no centro das vigas no intuito de permitir o processo de dano, tanto em tração quanto em compressão. Na zona de interface entre os elementos de concreto e os de aço são colocados elementos de aderência. É verificada a influência nos modelos numéricos de diversos parâmetros, tais como altura da viga, armadura de compressão, armadura de cisalhamento e escala. / In this work is presented a theory to the consideration of the concrete crushing applied to the finite element method, the Overlapping Crack Model. In this case the crushing is considered through the interpenetration of finite elements. Together with the well-known Cohesive Crack Model, the approach is used to simulate the behavior of reinforced concrete beams with high volume fraction of reinforcement (under reinforced concrete). The used experiments are beams subjects to three-point bending, where the steel bars are replaced by an equivalent layer of finite elements. A central vertical line of interfaces is used in order to take into account the damage due to crushing and fracture. At the concrete-steel interface, friction elements are considered. The influence of some parameters, such as depth of the beam, compression and shear reinforcement, etc., is investigated.

Neste trabalho é apresentada uma teoria para a consideração do esmagamento do concreto aplicada ao método elementos finitos, o Modelo de Trincas Sobrepostas. Neste caso, o esmagamento é considerado através da interpenetração dos elementos finitos. Em conjunto com o já conhecido Modelo de Trincas Coesivas, a abordagem é utilizada para simular o comportamento de vigas de concreto armado com alta taxa de armadura (concreto superarmado). Os experimentos empregados são vigas em flexão a três pontos (dois apoios e uma carga aplicada no centro do vão), onde as barras de aço são substituídas por uma camada de elementos finitos de altura equivalente. Aloca-se uma linha de elementos de interface coesiva verticalmente no centro das vigas no intuito de permitir o processo de dano, tanto em tração quanto em compressão. Na zona de interface entre os elementos de concreto e os de aço são colocados elementos de aderência. É verificada a influência nos modelos numéricos de diversos parâmetros, tais como altura da viga, armadura de compressão, armadura de cisalhamento e escala. / In this work is presented a theory to the consideration of the concrete crushing applied to the finite element method, the Overlapping Crack Model. In this case the crushing is considered through the interpenetration of finite elements. Together with the well-known Cohesive Crack Model, the approach is used to simulate the behavior of reinforced concrete beams with high volume fraction of reinforcement (under reinforced concrete). The used experiments are beams subjects to three-point bending, where the steel bars are replaced by an equivalent layer of finite elements. A central vertical line of interfaces is used in order to take into account the damage due to crushing and fracture. At the concrete-steel interface, friction elements are considered. The influence of some parameters, such as depth of the beam, compression and shear reinforcement, etc., is investigated.

Neste trabalho é apresentada uma teoria para a consideração do esmagamento do concreto aplicada ao método elementos finitos, o Modelo de Trincas Sobrepostas. Neste caso, o esmagamento é considerado através da interpenetração dos elementos finitos. Em conjunto com o já conhecido Modelo de Trincas Coesivas, a abordagem é utilizada para simular o comportamento de vigas de concreto armado com alta taxa de armadura (concreto superarmado). Os experimentos empregados são vigas em flexão a três pontos (dois apoios e uma carga aplicada no centro do vão), onde as barras de aço são substituídas por uma camada de elementos finitos de altura equivalente. Aloca-se uma linha de elementos de interface coesiva verticalmente no centro das vigas no intuito de permitir o processo de dano, tanto em tração quanto em compressão. Na zona de interface entre os elementos de concreto e os de aço são colocados elementos de aderência. É verificada a influência nos modelos numéricos de diversos parâmetros, tais como altura da viga, armadura de compressão, armadura de cisalhamento e escala. / In this work is presented a theory to the consideration of the concrete crushing applied to the finite element method, the Overlapping Crack Model. In this case the crushing is considered through the interpenetration of finite elements. Together with the well-known Cohesive Crack Model, the approach is used to simulate the behavior of reinforced concrete beams with high volume fraction of reinforcement (under reinforced concrete). The used experiments are beams subjects to three-point bending, where the steel bars are replaced by an equivalent layer of finite elements. A central vertical line of interfaces is used in order to take into account the damage due to crushing and fracture. At the concrete-steel interface, friction elements are considered. The influence of some parameters, such as depth of the beam, compression and shear reinforcement, etc., is investigated.