The goal of this research is to develop a robust, continuum-based approach for a three-dimensional, Finite Element Method (FEM) simulation of layered geomaterials. There are two main approaches to the numerical modeling of layered geomaterials; discrete or discontinuous techniques and an equivalent continuum concept. In the discontinuous methodology, joints are explicitly simulated. Naturally, discrete techniques provide a more accurate description of discontinuous materials. However, they are complex and necessitate care in modeling of the interface. Also, in many applications, the definition of the input model becomes impractical as the number of joints becomes large. In order to overcome the difficulties associated with discrete techniques, a continuum-based approach has become popular in some application areas. When using a continuum model, a discrete material is replaced by a homogenized continuous material, also known as an 'equivalent continuum'. This leads to a discretization that is independent of both the orientation and spacing of layer boundaries. However, if the layer thickness (i.e., internal length scale of the problem) is large, the classical continuum approach which neglects the effect of internal characteristic length can introduce large errors into the solution. In this research, a full 3D FEM formulation for the elasto-plastic modeling of layered geomaterials is proposed within the framework of Cosserat theory. The effect of the bending stiffness of the layers is incorporated in the matrix of elastic properties. Also, a multi-surface plasticity model, which allows for plastic deformation of both the interfaces between the layers and intact material, is introduced. The model is verified against analytical solutions, discrete numerical models, and experimental data. It is shown that the FEM Cosserat formulation can achieve the same level of accuracy as discontinuous models in predicting the displacements of a layered material with a periodic microstructure. Furthermore, the method is capable of reproducing the strength behaviour of materials with one or more sets of joints. Finally, due to the incorporation of layer thickness into the constitutive model, the FEM Cosserat formulation is capable of capturing complicated failure mechanisms such as the buckling of individual layers of material which occur in stratified media.

The goal of this research is to develop a robust, continuum-based approach for a three-dimensional, Finite Element Method (FEM) simulation of layered geomaterials. There are two main approaches to the numerical modeling of layered geomaterials; discrete or discontinuous techniques and an equivalent continuum concept. In the discontinuous methodology, joints are explicitly simulated. Naturally, discrete techniques provide a more accurate description of discontinuous materials. However, they are complex and necessitate care in modeling of the interface. Also, in many applications, the definition of the input model becomes impractical as the number of joints becomes large. In order to overcome the difficulties associated with discrete techniques, a continuum-based approach has become popular in some application areas. When using a continuum model, a discrete material is replaced by a homogenized continuous material, also known as an 'equivalent continuum'. This leads to a discretization that is independent of both the orientation and spacing of layer boundaries. However, if the layer thickness (i.e., internal length scale of the problem) is large, the classical continuum approach which neglects the effect of internal characteristic length can introduce large errors into the solution. In this research, a full 3D FEM formulation for the elasto-plastic modeling of layered geomaterials is proposed within the framework of Cosserat theory. The effect of the bending stiffness of the layers is incorporated in the matrix of elastic properties. Also, a multi-surface plasticity model, which allows for plastic deformation of both the interfaces between the layers and intact material, is introduced. The model is verified against analytical solutions, discrete numerical models, and experimental data. It is shown that the FEM Cosserat formulation can achieve the same level of accuracy as discontinuous models in predicting the displacements of a layered material with a periodic microstructure. Furthermore, the method is capable of reproducing the strength behaviour of materials with one or more sets of joints. Finally, due to the incorporation of layer thickness into the constitutive model, the FEM Cosserat formulation is capable of capturing complicated failure mechanisms such as the buckling of individual layers of material which occur in stratified media.

Diese Arbeit liefert ein dreidimensionales numerisches Homogenisierungskonzept, welches beim Übergang von der Mikro- zur Makroskala einen Wechsel in der Kontinuumsbeschreibung beinhaltet. Während für die Beschreibung der Makroskala das verallgemeinerte Cosserat-Kontinuum verwendet wird, basiert die Mikroskala auf der klassischen Cauchy-Theorie. Um das homogene Cosserat-Ersatzmaterial im Rahmen numerischer Simulationen nutzen zu können, erfolgt die Implementierung geeigneter Finiter Elemente in das Programmsystem Abaqus und deren Verifikation. Neben der Diskussion der bei der Homogenisierung beobachteten Effekte werden anhand eines idealisierten Modells eines biaxialverstärkten Mehrlagengestrickes die Vorteile gegenüber der klassischen Herangehensweise aufgezeigt. / This contribution provides a threedimensional homogenization approach which includes the switch of the continuum theory during the scale transition. Whereas the microscopic scale is described in the framework of the classical Cauchy theory, the macroscopic scale is based on the generalized Cosserat continuum. In order to use the obtained homogeneous Cosserat material, suitable finite elements are implemented in the commercial program system Abaqus followed by an appropriate verification. Beside the discussion of the arising effects the advantages of this approach compared to the classical procedure are shown by means of an idealized model of a biaxial woven fabric.

Diese Arbeit liefert ein dreidimensionales numerisches Homogenisierungskonzept, welches beim Übergang von der Mikro- zur Makroskala einen Wechsel in der Kontinuumsbeschreibung beinhaltet. Während für die Beschreibung der Makroskala das verallgemeinerte Cosserat-Kontinuum verwendet wird, basiert die Mikroskala auf der klassischen Cauchy-Theorie. Um das homogene Cosserat-Ersatzmaterial im Rahmen numerischer Simulationen nutzen zu können, erfolgt die Implementierung geeigneter Finiter Elemente in das Programmsystem Abaqus und deren Verifikation. Neben der Diskussion der bei der Homogenisierung beobachteten Effekte werden anhand eines idealisierten Modells eines biaxialverstärkten Mehrlagengestrickes die Vorteile gegenüber der klassischen Herangehensweise aufgezeigt. / This contribution provides a threedimensional homogenization approach which includes the switch of the continuum theory during the scale transition. Whereas the microscopic scale is described in the framework of the classical Cauchy theory, the macroscopic scale is based on the generalized Cosserat continuum. In order to use the obtained homogeneous Cosserat material, suitable finite elements are implemented in the commercial program system Abaqus followed by an appropriate verification. Beside the discussion of the arising effects the advantages of this approach compared to the classical procedure are shown by means of an idealized model of a biaxial woven fabric.

Les matériaux soumis à de grandes déformations présentes pour la plupart l’apparition de déformations inélastiques. Ce phénomène est souvent accompagné d’une localisation des déformations dans une zone étroite, précurseur de la rupture. Un cas particulier, mais très fréquent, est les bandes de cisaillement qui apparaissent pour beaucoup de géomatériaux. Ces bandes peuvent être rencontrées à des échelles allant de l’échelle kilométrique pour les zones de subduction à l’échelle micrométrique à l’intérieur des zones de faille. Etudier et modéliser la création de ces zones d’instabilité est fondamental pour décrire la rupture des géomatériaux et des phénomènes associés comme les glissements sismiques dans les zones de faille mature de la lithosphère. Les conditions de pression, de température, l’interaction de l’eau interstitielle avec un matériau finement fracturé conduisent à l’apparition de multiples processus physiques impliqués dans les glissements sismiques. Dans ce travail, nous nous attachons à modéliser la création de bandes de cisaillement à l’intérieur des gouges de faille en prenant en compte l’effet de la microstructure par l’intermédiaire des milieux continus de Cosserat, ainsi que les couplages thermo-hydro-mécanique. L’utilisation de la théorie de Cosserat permet non seulement de régulariser le problème de localisation des déformations par l’introduction d’une longueur interne dans les lois constitutives, mais en même temps de prendre en compte l’effet de la microstructure. Deux approches sont employées pour étudier le système d’équations couplées aux dérivées partielles non linéaires : L’analyse de stabilité linéaire et la méthode des éléments finis. L’analyse de stabilité linéaire permet d’examiner les conditions d’apparitions d’instabilités pour un système mécanique avec des couplages multi-physiques. Par ailleurs, des considérations sur les perturbations appliquées au système permettent aussi de déterminer l’épaisseur de la zone de cisaillement, un paramètre clé pour la compréhension du mécanisme mécanique des failles. Ces estimations sont confirmées par l’intégration numérique pour des déformations restant dans une gamme donnée. Elles sont confrontées aux observations expérimentales et in situ et présentent une bonne corrélation. D’autre part, les simulations numériques permettent d’obtenir la réponse mécanique de la gouge de faille et de donner des informations sur l’influence des différents couplages dans le budget énergétique d’un tremblement de terre / When materials are subjected to large deformations, most of them experience inelastic deformations. It is often accompanied by a localization of these deformations into a narrow zone leading to failure. One particular case of strain localization is the formation of shear bands which are the most common patterns observed in geomaterials. In geological structures, they appear at very different scales, from kilometer scale for subduction zones, to micrometric scale inside fault cores. Studying their occurrence and evolution is of key importance to describe the failure of geomaterials and model seismic slip for mature crustal faults. The pressure and temperature conditions in these faults and the interaction with the pore water inside a highly fractured materials highlight the importance of different physical processes involved in the nucleation of earthquakes. In this thesis, we study the occurrence and evolution of shear bands inside fault gouges taking into account the material microstructure by resorting to elastoplastic Cosserat continua and also the effect of thermo-hydro mechanical couplings. The use of Cosserat theory introduces information about the gouge microstructure, namely the grain size, and permits to regularize the mathematical problem of in the post-localization regime by introducing an internal length into the constitutive equations. Two approaches are used to study the coupled non-linear partial differential set of equations: linear stability analysis and finite element simulations. Linear stability analysis allows to study the occurrence of localized deformation in a mechanical system with multi-physical couplings. Considerations on the dominant wave length of the perturbations permit also to determine the width of the localized zone. This shear band thickness is confirmed by numerical integration in the post-localization regime for a certain range of deformation. The obtained widths of the localized zone are key parameters for understanding fault behavior, are in agreement with experimental and field observations. Moreover, numerical finite element computations enable to model the mechanical response of a fault gouge during seismic slip and give insights into the influence of various physical couplings on the energy budget

Tato práce se zabývá výpočtovými simulacemi zkoušek jednoosým tahem a tříbodovým ohybem kompozitního vzorku složeného z elastomerové matrice a ocelových výztužných vláken orientovaných pod různými úhly, jakož i jejich experimentální verifikací. Simulace byly provedeny pomocí dvou různých modelů - bimateriálového a unimateriálového výpočtového modelu. Při použití bimateriálového modelu, který detailně zohledňuje strukturu kompozitu, tzn. pracuje s matricí a jednotlivými vlákny, je zapotřebí vytvořit model každého vlákna obsaženého v kompozitu, což přináší řadu nevýhod (pracná tvorba výpočtového modelu, řádově větší množství elementů potřebných k diskretizaci v MKP systémech a delší výpočetní časy). Na druhé straně v unimateriálovém modelu se nerozlišují jednotlivá vlákna, pracuje se pouze s kompozitem jako celkem tvořeným homogenním materiálem a výztužný účinek vláken je zahrnut v měrné deformační energii. Porovnání experimentů se simulacemi ukázalo, že bimateriálový model je v dobré shodě s experimenty, na rozdíl od unimateriálového modelu, který je schopen poskytnou odpovídající výsledky pouze v případě tahového namáhání. Z tohoto důvodu byl hledán způsob, který by umožnil rozšířit unimateriálový model o ohybovou tuhost výztužných vláken. V roce 2007 Spencer a Soldatos publikovali rozšířený unimateriálový model, který je schopen pracovat nejen s tahovou, ale i ohybovou tuhostí vlákna. Představený obecný model je však založen na Cosseratově teorii kontinua a jeho praktické využití je pro jeho složitost nemožné. Proto byl vytvořen zjednodušený model (částečně podle Spencera a Soldatose) s vlastní navrženou formou měrné deformační energie. Za účelem ověření nového unimateriálového modelu s ohybovou tuhostí vláken byly odvozeny všechny potřebné rovnice a byl napsán vlastní konečno-prvkový řešič. Tento řešič je založen na Cosseratově teorii kontinua a obsahuje zmíněný anizotropní hyperelastický unimateriálový model zahrnující ohybovou tuhost vláken. Vzhledem k tomu, že v případě Cosseratovy teorie jsou při výpočtu potřebné i druhé derivace posuvů, bylo nutné použít tzv. C1 prvky, které mají spojité jak pole posuvů, tak jejich prvních derivací. Nakonec byly provedeny nové simulace s využitím vlastního řešiče, které ukazují, že tuhost vláken lze u nového unimateriálového modelu řídit odpovídající materiálovou konstantou. V závěru práce je pak diskutováno, zda je nový unimateriálový model s ohybovou tuhostí schopen poskytnout stejné výsledky jako model bimateriálový, a to jak při tahovém tak i ohybovém namáhání kompozitního vzorku.

Práca sa zaoberá mechanikou kontinua. Konkrétne je zameraná na lineárnu elasticitu homogénnych izotropných pevných telies. Pre dve rôzne kontinuá – klasické kontinuum a mikropolárne je odvodená silná aj slabá formulácia. Cosseratovo (mikropolárne) kontinuum predstavuje rozšírenie ku klasickému, kde je uvažovaný ďalší stupeň voľnosti - nezávislá rotácia. Mikropolárne kontinuum definuje ďalšie dve materiálové konštanty, ktoré súvisia s rotáciou. V súčasnosti je metóda konečných prvkov veľmi populárny spôsob približného riešenia rovníc lineárnej elasticity. Pre účely diplomovej práce bol vyvinutý program pre MKP riešenie 2D rovinných úloh. Pre lepšiu predstavu o vplyvu rôznych parametrov na správanie sa oboch kontinuí analyzujeme jednoduchý príklad konzolového nosníka. Riešenia analyzujeme s využitím 4-uzlového štvorhranného elementu, ktorý je jedným z najpoužívanejších pre MKP. V Cosseratovom kontinue by mali byť rotácie previazené skrz parameter vnútornej dĺžky, čo by sa malo odzrkadliť zvýšenou tuhosťou telesa. Úlohou práce je porovnať výsledky z oboch kontinuí a potvrdiť tento predpoklad.