[pt] A presente dissertação tem por objeto a análise teórica - comparativa, implementação computacional e avaliação da capacidade de simulação dos modelos constitutivos para solos, com ênfase nos solos não saturados. Primeiramente, são analisados os modelos básicos, clássicos e avançados formulados para solos saturados ou secos, assim como os modelos desenvolvidos para solos não saturados, incluindo também alguns modelos para solos estruturados. A seguir, e para testar a sua capacidade de modelagem, são implementadas as matrizes constitutivas de alguns dos modelos analisados para a retroanálise e previsão de comportamento de três solos residuais na condição saturada e não saturada. Como complemento da pesquisa, um dos modelos é utilizado na simulação de provas de carga com placa em solo residual pelo MEF, para os casos de saturação e umidade natural. Finalmente, são apresentadas organizadamente as conclusões gerais e particulares obtidas, assim como sugestões para futuras pesquisas no tema do presente trabalho. / [en] The objective of this thesis is to present a critical review of the main constitutive soil models published in the literature, discussing and evaluating their abilities to simulate the mechanical behavior of geological materials under the theoretical and numerical points of view, with emphasis on unsaturated soils. Firstly, some basic, classical and advanced soil models are presented and discussed, as well as a few other recent constitutive relationships specially developed for unsaturated and structured materials. In the sequence, in order to assess the efficiency and overall performance of some selected models, the respective constitutive matrices were numerically implemented for prediction and back-analysis of the response of three residual soils, in saturated and unsaturated conditions. As a complement of this research, one of the soil models is used to simulate the results of some plate load tests on a residual soil deposit through the finite element method. Finally, the general conclusions of this work are presented and some suggestions are made to aid future research in the area of soil modeling.

[pt] O baixo custo, aliado a redução de peso e consequente aumento da eficiência, atingindo os mesmos níveis desejáveis de resistência mecânica, tem seduzido diversos setores da indústria à extensão do uso de polímeros termoplásticos em seus produtos finais. Dentro desses setores, o aumento em volume do emprego de polímeros não só tem crescido em aplicações de uso gerais, como também em aplicações estruturais. Com isso, o conhecimento detalhado do comportamento mecânico desses materiais faz-se necessário a fim de assegurar suas devidas propriedades em trabalho, sendo atrativo o uso de modelos constitutivos para a predição do comportamento final. Entretanto, os polímeros são materiais semicristalinos que possuem mecanismos de deformação e falha complexos. A maioria dos polímeros deformam-se homogeneamente até o escoamento, porém após esse, devido a estricção, o campo de deformações torna-se heterogêneo, fazendo com que o uso de técnicas experimentais clássicas, como a extensometria, seja inadequado. Dentre os métodos mais apropriados para a avaliação de polímeros em altas deformações, pode-se destacar a correlação de imagens digitais (CID). A técnica CID permite a avaliação da variação local da deformação e é capaz de prover uma descrição completa da deformação, inclusive na região do pescoço. Apesar do potencial de uso da CID em polímeros, seu emprego ainda é incipiente devido ao desenvolvimento recente da técnica. Dessa forma, o presente trabalho tem como objetivo a avaliação do comportamento de polímeros termoplásticos sob grandes deformações mediante o uso da técnica CID. Diante do alto custo dos sistemas CID comerciais, desenvolveu-se um arranjo e procedimento simples para a aquisição e análise das imagens digitais. A fim de predizer o comportamento mecânico e entender melhor os mecanismos de deformação envolvidos, diversos modelos constitutivos também foram testados. / [en] Low cost, coupled with weight reduction and consequent increase in efficiency, reaching the same desirables levels of mechanical strength, has seduced several industry sectors to expand the use of thermoplastic polymers in their final products. Within these sectors, the increase in volume of polymer has not only grown in general use, but also in structural applications. Thus, in order to ensure their proper properties in work, the detailed knowledge of the mechanical behavior of these materials is necessary and the use of constitutive models for the prediction of the final mechanical behavior becomes attractive. However, polymers are semi-crystalline materials that show complex deformation and failure mechanisms. Most of the polymers deform homogeneously until the yield point, but after, due to necking, the strain field becomes heterogeneous, making the use of classic experimental techniques, such as extensometry, inadequate. Among the most appropriate methods for the evaluation of polymers at large deformation, it is possible to highlight the digital image correlation (DIC). DIC technique allows the evaluation of local strain and is able to provide a complete description of the strain field, including the neck region. Despite the potential of DIC in polymers, its use is still incipient due to the recent development of the technique. Thus, the present work has the objective of evaluating the behavior of thermoplastic polymers under large deformation using DIC. Given the high cost of commercial DIC systems, a simple arrangement and procedure for the acquisition and analysis of the digital images was developed. In order to predict the mechanical behavior and to better understand the mechanisms of deformation involved, several constitutive models were also tested.

[pt] A Modelagem de Bacias Sedimentares e Sistemas Petrolíferos (BPSM) integra técnicas sofisticadas das disciplinas de geologia, engenharia e desenvolvimento de software, com o objetivo de mitigar os riscos econômicos da atividade de exploração de hidrocarbonetos. Entretanto, ainda que o processo de formação de bacias sedimentares apresente alta complexidade, envolvendo diversos processos geológicos, a técnica empregada majoritariamente em análises numéricas para representar o comportamento tensãodeformação das rochas sedimentares consiste em uma lei empírica desenvolvida pelo geofísico Lawrence F. Athy na década de 1930, fundamentada em uma série de simplificações sobre o problema mecânico. Neste contexto, o presente trabalho avalia a capacidade de modelos constitutivos baseados na mecânica do contínuo: elástico, elastoplástico com superfície de escoamento aberta e elastoplástico com superfície de escoamento fechada de representar o comportamento mecânico de rochas sedimentares associado aos processos de deposição e compactação observados na BPSM, usando os dados do modelo empírico de Athy como referência. Após a investigação inicial, os modelos constitutivos são comparados à solução tradicional (Lei de Athy) na representação de outros processos geológicos (erosão, compressão tectônica e extensão tectônica) usando cenários simplificados, com a finalidade de projetar o impacto desse tipo de representação em uma análise convencional de BPSM. / [en] Basin and Petroleum System Modeling integrates sofisticated techniques from the fields of geology, engineering and software development, aiming to mitigate the economic risks presented in the exploration of hydrocarbons. Even though the formation of sedimentary basins presents a high level of complexity, involving several geological processes, the main technique applied to represent the tension-deformation behavior of sedimentary rocks in numerical analyses is an empirical law developed by geophysicist Lawrence F. Athy in the 1930s, based on a series of simplifications about the mechanical problem. In that context, this work evaluates the capability of constitutive models based on Continuum Mechanics: elastic, elastoplastic with an uncapped yield surface and elastoplastic with a capped yield surface to represent the mechanical behavior of sedimentary rocks associated with the deposition and compaction processes observed in BPSM, using the data from Athy s empirical model as reference. After the initial investigation, the constitutive models are compared to the traditional solution (Athy s Law) in the representation of other geological processes (erosion, tectonic compression and tectonic extension) using simplified scenarios to predict the impact of such models in conventional BPSM analyses.

[pt] Essa pesquisa usa o Método do Ponto Material (MPM), para avaliar diferentes aspectos de deslizamentos de encosta. Esse tema é de suma importância, visto que os deslizamentos de terra são o desastre natural que mais causa perdas humanas no Brasil. Esse método numérico foi verificado a fim de que fosse encontrado o fator de segurança e a superfície de ruptura em um talude infinito com solo representado pelo modelo constitutivo de Drucker-Prager. Além disso, foi validado para calcular a força de impacto em um anteparo, sendo o volume impactante um objeto qualquer elástico ou um solo com modelo de Drucker-Prager. Os cálculos foram executados com o código desenvolvido pela PUC-Rio e produziram excelentes resultados. Foi observada uma grande dependência dos resultados com a malha, e assim como no Método dos Elementos Finitos, o refinamento da malha gera convergência para um resultado. O método foi considerado satisfatório para cálculo de uma parede de retenção em locais de risco. / [en] This research uses a numerical method, the Material Point Method, to evaluate different aspects of slope landslides. This theme is of paramount importance since landslides are the natural disaster that shows the highest number of deaths in Brazil. The method was verified so that it could find the safety factor and rupture surface in an infinite slope with soil represented by the Drucker-Prager constitutive model. In addition, the method was validated to calculate impact force in a bulkhead; the impacting volume could be any elastic object or soil with the Drucker-Prager model. The calculations were performed using the code developed by PUC-Rio and showed excellent results. It was observed high dependence on the mesh discretization, as well as the Finite Element Method, the refinement of the mesh generates convergence for a result. The method was considered satisfactory for calculating a retention wall at risk locations.

[pt] A necessidade cada vez mais freqüente de reforço em estruturas de concreto armado, exige um completo conhecimento do comportamento da estrutura reforçada devido a alterações de rigidez do conjunto, aumento da carga de ruptura, alterações na distribuição de fissuras, modificação de comportamento e posição da linha neutra, entre outros. Nos últimos anos diversos estudos experimentais têm sido conduzidos, fornecendo parâmetros cada vez mais confiáveis à elaboração de projetos e ao dimensionamento seguro em relação aos estados limites de utilização e de ruptura. No desenvolvimento deste trabalho, utiliza-se um programa computacional baseado no método dos elementos finitos,capaz de descrever o comportamento de elementos estruturais prismáticos em concreto armado reforçados à flexão. Descreve-se o modelo hipoelástico de Elwi e Murray -1979- para o concreto simples e um modelo multilinear para simulação dos reforços. Tais relações resultam de estudos analíticos e experimentais sobre o concreto armado e estão originalmente implementadas no programa FEPARCS -Elwi e Murray, 1980-, que neste trabalho é modificado e adaptado de acordo com a realidade da execução de reforços em estruturas em serviço. O programa FEPACS, capaz de realizar análises numéricas não-lineares, é acoplado a um programa de pré e pós-processamento gráfico especialmente desenvolvido para geração, gerenciamento do processo de cálculo e para análise de resultados obtidos. Os resultados obtidos utilizando o programa proposto são validados através de uma comparação com resultados experimentais obtidos na literatura. / [en] The frequent use of composite materials, in the strengthening of reinforced concrete structures requires complete knowledge of the structural behavior because of the changes that such strengthening will cause to the overall stiffness,the collapse load, the cracks distribution and the behavior and position of the neutral axis. Over the last few years experimental studies have been performed,bringing out more trustworthy parameters for ultimate strength design. In this work, a computational program was implemented based on the finite element method, which is able to describe the flexural strengthening of reinforced concrete beams. The model used in this program is that of Elwi and Murray -1979-, which assumes a so-called hypo elastic theory for concrete and a approach to simulate the reinforcement. These relationships were derived from reinforced concrete analytical and experimental studies and are originally implemented in the FEPARCS program -Elwi and Murray, 1980-, which has been modified in order to obtain a more realistic approach to in- service structural strengthening. The program developed, which is able to perform non-linear numerical analyses, is coupled to pre and pos-processing graphic programs specially developed for model generation, management of the calculation sequence and presentation of final results. The results produced by this program have been validated by comparison with experimental results available in literature.

De nos jours, le contexte de mondialisation des marchés impose aux industriels des contraintes économiques sans précédent. Afin de rester concurrentiels, ils n’ont d’autre choix que de modifier leur façon de concevoir et d’innover. Les techniques de production sont directement concernées avec par exemple une volonté de réduire les cycles de mise au point visant à définir les paramètres optimaux de mise en forme. On constate alors l’immersion d’un besoin fort en moyens de support, flexibles et prédictifs, permettant de limiter les campagnes d’essais et de faciliter leur exploitation. La simulation numérique se présente comme un outil pouvant répondre à ces critères. Ce travail s’est inscrit dans une démarche d’amélioration de la modélisation et de la simulation des opérations d’usinage, et à une échelle plus locale, de la modélisation de la coupe des métaux. Il aborde donc un problème complexe, fortement couplé, faisant intervenir mécanique, thermique, tribologie et métallurgie dans des conditions extrêmes. Une première partie expérimentale s’est donc orientée vers une compréhension plus fine des mécanismes de coupe mis en jeu en usinage d’un C45 normalisé et d’un 42CrMo4 trempé revenu. Elle a notamment permis de mettre en évidence, dans les zones de déformation intense, des affinements de grain conséquents, produits par l’activation d’un processus de recristallisation dynamique (DRX). L’inspection des zones de contact outil-matière a également montré les fortes hétérogénéités de contact existantes à l’interface outil-copeau et révélant la formation d’une résistance thermique de contact. Une étude rhéologique des deux nuances s’est appuyée sur des essais de compression dynamique. Menée à haute déformation, elle a permis de reproduire les évolutions microstructurales observées en coupe et d’appréhender leur influence sur la limite d’écoulement des matériaux. Deux modèles de comportement "à base métallurgique" ont été identifiés, présentant une retranscription plus fidèle que les modèles phénoménologiques standards. Des essais tribologiques dédiés ont permis d’extraire des modèles de contact capables de reproduire les phénomènes locaux existants à l’interface outil-matière. L’accent s’est principalement porté sur la thermique de contact au travers de lois de partage variables intégrant la notion de résistance thermique. L’intégralité de ces modèles a enfin été implémentée dans le code de calcul Abaqus© grâce à des développements spécifiques. Une stratégie de modélisation a été mise en place autour d’un modèle de coupe 2D afin de restituer les tendances majeures observées lors de la coupe d’aciers spéciaux. L’association de modèles 2D et 3D à copeau continu, de modèles à copeau segmenté ainsi que de simulations thermiques découplées présente un fort potentiel permettant, à terme, de modéliser une opération d’usinage dans sa globalité. / Nowadays, in a context of globalization, companies are submitted to unprecedented economic constraints. To remain competitive, they are forced to change their way of designing and innovating. Manufacturing is directly concerned with in mind to reduce the development steps necessary to define the optimal processing parameters. A need of flexible and predictive support tools is clearly rising in order to limit the experimental campaigns and make easier their exploitation. The numerical simulation appears as a relevant tool that match these criteria. This work is a contribution to an approach which aims at improving the modeling and simulation of machining operations, and on a more local scale, the modeling of metal cutting. It therefore addresses a complex and tightly coupled problem, involving mechanics, thermal sciences, metallurgy and tribology in extreme conditions. A first experimental part was thus directed towards a more sophisticated understanding of the cutting mechanisms occuring in machining of a normalized AISI 1045 and a quenched and tempered AISI 4140. It made possible to highlight, in the main intensive deformation zones, drastic grain refinements produced by the activation of dynamic recrystallization (DRX). Inspection of the tool-material contact areas also showed the strong heterogeneities of contact existing at the tool-chip interface, revealing the formation of a thermal contact resistance. A rheological study of these two grades was based on dynamic compression tests. Conducted at high strain, it reproduced the microstructural changes observed in cutting and enabled to understand their influence on the flow stress of both materials. Two "metallurgy based" models have been identified, leading to a better description of the material behaviour than standard phenomenological models. Special tribological tests have been conducted and analyzed to extract contact models able to reproduce local phenomena existing at the tool-material interface. The study has especially been focused on the thermal contact through heat partition models including the concept of thermal contact resistance. The proposed constitutive and contact models were finally implemented in a finite element code Abaqus© thanks to some specific developments. A modeling strategy has been developed around a 2D cutting model in order to simulate the major trends observed during the cutting of the mentioned steels. The combination of 2D and 3D continuous chip models, 2D segmented models and uncoupled thermal simulations appears as promising to model the different aspects of a machining operation.

[pt] A grande maioria das obras geotécnicas, tais como algumas fundações, aterros e escavações, apresentam uma configuração geométrica tipicamente tridimensional. No entanto, em função da complexidade da obtenção de soluções considerando os aspectos inerentes à condição de deformação e tensão tridimensionais, as análises destas obras têm sido comumente realizadas adotando-se as aproximações de deformação plana e/ou axissimétrica. Esta dissertação apresenta um modelo computacional baseado na formulação em deslocamento do método dos elementos finitos para a simulação de problemas mecânicos de equilíbrio estático de obras geotécnicas em condição tridimensional. São ressaltados os problemas de capacidade de carga de fundações superficiais e a simulação da construção de aterros. O solo é considerado como um material não linear elasto-plástico e os modelos não associados Mohr-Coulomb modificado e Lade-Kim são adotados para representar sua relação tensão-deformação resistência. As estratégias de solução não linear, tanto a nível global quanto em nível de ponto de Gauss, são apresentadas e discutidas. Os exemplos de capacidade de carga das fundações superficiais são comparados com os resultados da teoria do equilíbrio limite e da análise limite indicando bons resultados. O efeito da tensão intermediária na trajetória de tensão é apresentado e discutido nos exemplos de simulação da construção de aterros. / [en] The vast majority of geotechnical works, such as some foundations, embankments and excavations, show a typical three-dimensional geometric configuration. However, depending on the complexity of obtaining solutions considering the aspects inherent to the three-dimensional deformation and stress, the analysis of these works have been performed by adopting common approaches and plane strain or axisymmetric. This dissertation presents a computational model based on displacement formulation of finite element method for simulation of mechanical problems of static equilibrium condition of geotechnical works in three dimensions. It highlights the problems of load capacity of shallow foundations and the simulation of embankment construction. The soil is considered as material non-linear elastic-plastic models and non-associated Mohr- Coulomb and modified Lade-Kim are adopted to represent their relationship stress-strain-resistance. The nonlinear solution strategies, both overall and in the Gauss point level, are presented and discussed. Examples of load capacity of shallow foundations are compared with the results of the theory of limit equilibrium and limit analysis showing good results. The effect of tension in the intermediate stress path is presented and discussed in the simulation examples of the construction of embankments.

La presente tesis tiene como finalidad establecer criterios de influencia entre parámetros geotécnicos y profundidad de excavaciones en suelos gravosos, mediante la aplicación de un software de elementos finitos. Para ello, se tomó como referencia a 5 estudios geotécnicos desarrollados en Lima Metropolitana (Santa Anita, San Isidro, Miraflores y San Luis), en donde se emplearon diversos ensayos con el fin de obtener parámetros necesarios para su modelación. Por ejemplo, gracias a estos estudios, se determinaron rangos a los parámetros geotécnicos (Ángulo de fricción, Cohesión y Peso Específico) que serán considerados en la modelación de los casos de estudio. De acuerdo con estos estudios, el Ángulo de Fricción oscila entre 25° y 46°; la Cohesión entre 10 kPa y 84 kPa; mientras que el Peso Específico tiene un rango de 18 kN/m3 a 24 kN/m3. Las excavaciones que serán evaluadas durante la presente investigación serán de 8m, 12m y 16m de profundidad y contarán también con rangos para el Módulo de Elasticidad (E50) y el Coeficiente de carga y descarga (Eur) necesarios para analizar el comportamiento físico del suelo. Los resultados obtenidos luego de emplear el Modelo Constitutivo Hardening Soil, fue que conforme van incrementado los Ángulos de fricción del suelo y el Módulo de Elasticidad (E50), los desplazamientos van disminuyendo poco a poco (estamos hablando de una relación inversamente proporcional). Asimismo, existe una relación directamente proporcional entre la profundidad de excavación, el módulo de elasticidad y los desplazamientos del suelo considerando un sistema de reforzamiento anclado. / The purpose of this thesis is to establish criteria of influence between geotechnical parameters and depth of excavations in burdensome soils, through the application of finite element software. For this, 5 geotechnical studies developed in Metropolitan Lima (Santa Anita, San Isidro, Miraflores and San Luis) were taken as a reference, where various tests were used in order to obtain parameters necessary for their modeling. For example, thanks to these studies, ranges were determined for the geotechnical parameters (Angle of friction, Cohesion and Specific Weight) that will be considered in the modeling of the case studies. According to these studies, the Angle of Friction ranges from 25 ° to 46 °; Cohesion between 10 kPa and 84 kPa; while the Specific Weight has a range from 18 kN / m3 to 24 kN / m3. The excavations that will be evaluated during this investigation will be 8m, 12m and 16m deep and will also have ranges for the Modulus of Elasticity (E50) and the Coefficient of loading and unloading (Eur) necessary to analyze the physical behavior of the soil. The results obtained after using the Hardening Soil Constitutive Model were that as the friction Angles of the soil and the Modulus of Elasticity (E50) increase, the displacements gradually decrease (we are talking about an inversely proportional relationship). Likewise, there is a directly proportional relationship between excavation depth, modulus of elasticity and soil displacements considering an anchored reinforcement system. / Tesis

Choice of the constitutive model and determination of input parameters are necessary for a successful application of numerical methods in geotechnical engineering. Higher complexity of modern constitutive models results in an increase of the number of input parameters and time requirements for their calibration. Optimization methods are a possible solution for this problem. An application in which metaheuristic optimization method Particle swarm optimization (PSO) is involved is presented in this thesis. Critical review and testing of various PSO alternatives was performed in the first part of this thesis. The most efective PSO alternatives were chosen. In the second part connection between PSO algorithm and finite element solver was prepared. Automatization of determination of constitutive models input parameters was performed on three boundary value problems: laboratory test (oedometer), in-situ test (pressuremeter) and geotechical construction (retaining wall). Three types of constitutive models are used. Linear elastic-perfectly plastic Mohr-Coulomb model, elastoplastic non-linear Hardening soil model and Hardening soil - small strain model.

[pt] Em problemas geotécnicos podem ocorrer grandes deformações devido a chuvas prolongadas, sismos, deslizamentos de encostas, etc. Material point method (MPM) é um método de solução baseado no Método dos Elementos Finitos (MEF) que oferece vantagens para o cálculo estático e dinâmico que envolve deformações desse tipo. O objetivo desta dissertação é utilizar o MPM em problemas geotécnicos em condições estáticas e dinâmicas. Esta pesquisa mostra o procedimento de analises do MPM para a condição não acoplada (só solido sem presença de água) e depois acoplada. Para a revisão matemática de MPM se faz antes um resumo da teoria do MEF na metodologia de conservação de quantidade de movimento. Nestas duas formas de resolver os problemas geotécnicos foram expostos três exemplos simples. O primeiro é uma coluna de solo simulado sob os fundamentos da elasticidade, com o objetivo de verificar o deslocamento vertical pelo peso próprio. Isto foi resolvido mediante quatro diferentes métodos: analítica, MEF por resíduos ponderados, MEF por conservação de quantidade de movimento, e MPM. Todos eles consideram somente a fase solida. No segundo exemplo, tem-se solo na geometria de quadrado de lado 1 metro, onde busca-se obter as poropressões quando atingir a condição permanente enquanto os deslocamentos ocorrem ao longo do tempo; ou seja, a análise é acoplada e é resolvida pelo método MPM. Para uma aplicação mais realista, foi feita a análise (não acoplada) da barragem Palo Redondo, pertencente ao projeto Chavimochic, localizada na região de La Libertad, Perú. Nesta análise dinâmica considerou-se dois modelos constitutivos: Elástico e Mohr Coulomb, além de um sismo. / [en] In geotechnical problems can happen large strains because of prolonged rains, earthquake, slide slope, etc. Material point method is a solution method based on the finite element method (FEM) which offers advantages for static and dynamic calculation that involve that kind of strains. The objective in this dissertation is to use the MPM in geotechnical problems in statics and dynamics conditions. This research shows the analysis procedure of MPM for uncoupled condition (only solids, without water) and then coupled. Before the mathematical theory of MPM, a review of the theory of FEM in the conservation of quantidade de movimento is done. In this two methodology were raised three examples. The first one is a soil column that was modeled elastically, in which the main objective in to analyze the vertical displacement because of own weight. This was solved by four different methods: analytically, FEM weighted residual, FEM conservation of momentum, and MPM. All of them consider only the solid phase. The second example is a square of soil with side 1 meter, where the objective is to know the pore-pressure in the permanent condition and at the same time the vertical displacement were generated, it means that the analysis is coupled and were solved by MPM. In order to make a more realistic application, Palo Redondo dam is analyzed (uncoupled condition), which belongs to the Chavimochic project located in La Libertad, region of Perú. This dynamic analysis was done considering two constitutive models: Elastic and Mohr Coulomb, additionally seismic forces.