This dissertation presents the development of an anisotropic viscoplastic continuum damage model to describe the permanent deformation of asphalt pavements. The model is developed to account for several phenomena that influence the permanent deformation of Asphalt Concrete (AC) at high temperatures. These phenomena include strain rate dependency, confining pressure dependency, dilation, aggregate friction, anisotropy, and damage. The model is based on Perzyna's theory of viscoplasticity with Drucker-Prager yield function modified to account for the microstructure anisotropy and damage. A parametric study was conducted to study the effect of key factors such as inherent anisotropy and damage on the model response. A preliminary investigation was conducted to demonstrate the capabilities of the model and its sensitivity to changes in the microstructure distribution and loading conditions. The model was used to describe laboratory experimental measurements obtained from the Federal Highway Administration (FHWA) Accelerated Loading Facility (ALF). The model had a good match with these experimental measurements. In particular, using the damage parameter, the model was able to capture the point at which AC experienced tertiary creep in a static creep test. A comprehensive experiment was conducted to systematically determine the model parameters and the evolution laws that describe AC hardening, anisotropy, and damage. The experiment consisted of a set of compressive triaxial strength tests conducted at three confining pressures and five strain rates. Based on these experimental measurements, the model was modified to include a nonassociated flow rule. The model was shown to capture the experimental measurements very well. Furthermore, an experiment was conducted to capture and characterize damage evolution in AC due to permanent deformation. AC specimens were loaded using a triaxial compression setup to four predefined strain levels at three confining pressures. X-Ray computed tomography and image analysis techniques were used to capture and characterize the evolution of cracks and air voids in the deformed specimens. Damage was found to be a localized phenomenon in the sense that there exists a critical section in an AC specimen that is mainly responsible for failure. The results of the damage experiment supported the damage evolution function proposed in the viscoplastic model.

Tese (doutorado)—Universidade de Brasília, Faculdade de Tecnologia, Departamento de Engenharia Civil e Ambiental, 2007. / Submitted by Debora Freitas de Sousa (deborahera@gmail.com) on 2009-08-18T17:43:53Z No. of bitstreams: 1 Tese_AdrianoFrutuosoSilva.pdf: 3627822 bytes, checksum: f2a5d7ae41f28d53c14218be8867eab4 (MD5) / Approved for entry into archive by Tania Milca Carvalho Malheiros(tania@bce.unb.br) on 2009-08-19T11:50:36Z (GMT) No. of bitstreams: 1 Tese_AdrianoFrutuosoSilva.pdf: 3627822 bytes, checksum: f2a5d7ae41f28d53c14218be8867eab4 (MD5) / Made available in DSpace on 2009-08-19T11:50:36Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Tese_AdrianoFrutuosoSilva.pdf: 3627822 bytes, checksum: f2a5d7ae41f28d53c14218be8867eab4 (MD5) Previous issue date: 2007-08-16 / As barragens de enrocamento com face de concreto (BEFC) têm sido construídas com freqüência crescente em todo mundo. Apesar disso, os critérios de projeto são ainda predominantemente empíricos baseados na experiência prática obtida de obras já construídas. A utilização da análise numérica ainda não é uma ferramenta usual para o desenvolvimento e dimensionamento desse tipo de barragem. Visando reduzir o empirismo dos projetos, a presente pesquisa propõe uma metodologia para análise do comportamento de BEFC e dimensionamento estrutural da laje, baseada nos seguintes aspectos: análise numérica tridimensional de todas as fases de projeto da barragem (construção, enchimento e rebaixamento); comportamento conjunto do maciço e face de concreto; elemento de interface para representar o contato entre essas estruturas; simulação separada da laje com elementos de placas sobre base elástica, usando coeficientes de recalque calibrados a partir das análises numéricas para fase de enchimento. Para validação dessa metodologia foi feita uma análise da barragem Barra Grande. Nessas análises, o enrocamento foi modelado com modelo elastoplástico Cam-Clay modificado, a laje com o modelo elástico linear e a interface foi representada por um modelo elástico-perfeitamente plástico com critério de ruptura de Drucker-Prager. Os resultados permitiram observar a influência do processo construtivo, das condições de contorno impostas na interface maciço-ombreira e da mudança de inclinação do talude da ombreira no comportamento da barragem e da laje, resultando em um dimensionamento da laje mais otimizado em termo de taxa de armadura. Portanto, este trabalho apresenta-se como mais um avanço no sentido de propiciar projetos de BEFC mais elaborados, baseados em fundamentos técnicos racionais. _________________________________________________________________________________ ABSTRACT / Concrete Face Rockfill Dams (CFRD) have been constructed with increasing frequency all around the world. However, design criteria still are mostly empirical and based on practical experience obtained during the construction of this type of dam. The use of numerical analyses is not yet a usual tool in the development and design of CFRD. Aiming to reduce the design empiricism, this research proposes a methodology to analyze the CFRD behavior and to design the structural concrete face, based on the following aspects: three-dimensional numerical analysis of all design phases (construction, reservoir filling and rapid drawdown); associated analysis of the concrete face and the rockfill dam mass; interface element to represent the contact between these structures; separated analysis of concrete face with plate elements over an elastic bases, using settlement coefficients calibrated from the numerical analysis during reservoir filling phase. The methodology was validated using Barra Grande Dam as a case study. In these analyses, the rockfill was simulated with the Modified Cam- Clay elastoplastic model, the concrete face with a linear elastic model and the interface represented by an elastic-perfectly plastic model with the Drucker-Prager failure criterion. The results highlight the influence of the construction process, imposed boundary conditions on the shoulders interface and the changes in shoulder slope on the whole dam behavior, resulting in an optimized concrete face design regarding the rate of steel reinforcement. Therefore, this research represents a contribution to CFRD design, based on a rational technical framework.

El excelente comportamiento de las columnas tubulares rellenas de hormigón (en adelante columnas CFT) y el aumento del empleo de hormigón de alta resistencia (en adelante HAR), unido a que la normativa actual en algunos países y en especial en Europa, a través del Eurocódigo 4 (en adelante EC4), no recoge la posibilidad de diseño columnas CFT rellenas con este material, pone de manifiesto la necesidad de actualizar dicha normativa para incluir también la posibilidad de diseñar columnas CFT con HAR. Esta Tesis Doctoral nace, por tanto, con el objetivo de actualizar la formulación existente en el EC4 de manera que se puedan diseñar columnas CFT de sección circular rellenadas con HAR. La formulación para el diseño de las columnas CFT de sección circular, cuantifica el aumento de la resistencia que se produce en éstas por el efecto del confinamiento pasivo. Dicho confinamiento pasivo se produce al disponer en el exterior del núcleo de hormigón una camisa de acero que coarta las deformaciones laterales que en él se producen. Como consecuencia de ello, la resistencia que es capaz de soportar el hormigón aumenta significativamente, aumentando también la resistencia global de la columna CFT. Para reproducir adecuadamente la evolución de las deformaciones laterales del núcleo de hormigón durante el proceso de carga (aspecto clave en el estudio del confinamiento), se desarrolló un modelo de hormigón que tiene en cuenta las deformaciones laterales tanto elásticas, a través del coeficiente de Poisson, como plásticas, a través del ángulo de dilatancia. Para ello, fue necesario obtener las curvas de definición del ángulo de dilatancia que regula las deformaciones laterales plásticas en función de la presión lateral de confinamiento a la que está sometido el núcleo de hormigón y la resistencia de éste, así como unas nuevas curvas que regulan las relaciones entre tensión y deformación longitudinal adaptadas para hormigones confinados pasivamente. Una vez se dispuso del modelo, calibrado mediante un proceso iterativo en el que se utilizaron ensayos experimentales, se llevó a cabo una validación de éste comparándolo con numerosos casos experimentales de diferentes características y geometrías. Con el modelo numérico definido se realizó un estudio paramétrico que permitió proponer una formulación que completa a la que actualmente existe, abarcando hormigones de hasta 100 MPa. / Lacuesta Carrión, CD. (2013). ESTUDIO DE LA RESISTENCIA DE PILARES TUBULARES CIRCULARES RELLENOS DE HORMIGÓN CON UN MODELO NUMÉRICO DE CONFINAMIENTO PASIVO VARIABLE [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/28587 / TESIS

[pt] Entre os vários processos envolvidos na produção de petróleo e gás, o processo de perfuração tem recebido grande atenção recentemente. Pesquisas estão sendo direcionadas para este tema com o objetivo de melhorar o desempenho das brocas de perfuração. Assim, o interesse da indústria do petróleo é aumentar a taxa de penetração, reduzir o tempo de manobras, aumentar a vida útil das brocas e consequentemente reduzir gastos durante o processo de perfuração. Para alcançar estes objetivos, tradicionalmente, são empregados métodos de otimização de perfuração baseados em energia mecânica específica. Estes métodos utilizam como dados de entrada o peso sobre a broca, taxa de penetração, torque e resistência à compressão da rocha. Os métodos de otimização de perfuração ainda apresentam algumas dificuldades, tais como: relacionar energia mecânica específica com resistência à compressão simples e os métodos dependem de dados de perfuração de poços, como listados acima. Este trabalho tem como objetivo apresentar um estudo alternativo do processo de corte em rocha baseado em simulação numérica, especificamente utilizando um programa comercial de elementos finitos chamado Abaqus. A primeira parte do trabalhou consistiu no desenvolvimento de modelos de corte em metais baseado na lei de plasticidade de Johnson-Cook. A motivação na escolha destes modelos foi a grande quantidade de trabalhos encontrados na literatura que tratam do processo de usinagem em metais. Posteriormente, a segunda parte do trabalho, que trata do corte em rocha, foi conduzida. Modelos tridimensionais de ensaios de single cutter foram elaborados e simulados utilizando a lei de plasticidade de Drucker-Prager, adequada para rochas, que considera o efeito da pressão de confinamento. / [en] Among the various processes involved in producing oil and gas, the drilling process has received great attention recently. Research is being directed to this issue in order to improve the performance of drill bits. Thus, the interest of the oil industry is to increase the penetration rate, reduce the time of switching, extending the life of drills and consequently reduce spending during the drilling process. To achieve these goals are traditionally used for drilling optimization methods based on mechanical specific energy. These methods use as input the weight on the drill penetration rate, torque and compressive strength of rock. The drilling optimization methods still present some difficulties, such as mechanical specific energy relationship with compressive strength and the methods depend on data-drilling, as listed above. This dissertation aims to present a study of alternative rock cutting process based on numerical simulation, specifically using a commercial finite element program called Abaqus. The first part of the work was the development of models of metal cutting based on the plasticity law of Johnson-Cook. The motivation in choosing these models was the large number of studies in the literature dealing with the machining process in metals. Subsequently, the second part of the work, which is cut in rock, was conducted. Three-dimensional models of single cutter tests were designed and simulated using the plasticity law of Drucker-Prager, suitable for rocks, which considers the effect of confining pressure.

Les matériaux composites à matrice thermoplastique occupent de plus en plus un large domaine d'application grâce à leur aptitude à être recyclés et à être assemblés par fusion du polymère, encore appelée soudage. Parmi ces modes d'assemblage, le soudage laser propose de meilleures alternatives. Car, outre le fait qu'elle assure une meilleure tenue mécanique et un meilleur aspect esthétique, cette technique d'assemblage ne crée pas d'endommagement au sein du composite, à l'instar de certaines méthodes comme le rivetage, le vissage ou le boulonnage.L'objectif de ce travail est de proposer un modèle de rupture probabiliste de l'assemblage par faisceau laser d'un composite thermoplastique à fibres continues.Une description fine du matériau est d'abord effectuée par une approche multi-échelles dont le but était de pouvoir prédire le comportement macroscopique du composite de base connaissant les fluctuations locales de sa microstructure.La caractérisation mécanique de l'assemblage est ensuite effectuée par des essais multiaxiaux au moyen d'un dispositif spécifiques (Arcan-Mines) qui prend en compte l'état de confinement du joint soudé. Ce qui a permis de proposer un modèle de comportement élasto-plastique basé sur le critère de Drucker-Prager généralisé.Des tests par émission acoustique ont permis de faire l'hypothèse de l'existence d'un maillon faible au sein du joint soudé. La rupture est alors évaluée par le modèle statistique de Weibull. Un critère de rupture probabiliste basé sur le premier et le second invariant du tenseur des contraintes est finalement proposé. / Thermoplastic composite materials are more and more used in many fields of application as a result of their recyclability and their joining capabilities by polymer fusion, witch is called welding. Among these assembly types, the laser welding offers better alternatives. Because, beyond the high level mechanical strength and the good aesthetic appearance it provides, this assembly technique will not create damage within the composite material, like certain methods such riveting, drilling or bolting.The purpose of this study is to propose a probabilistic failure model of laser beam assembly of a continuous fibres thermoplastic composite.A detailed description of the material is first performed by a multi-scale approach, which was aiming to predict the macroscopic behaviour of the based composite knowing the local fluctuations of its microstructure.The mechanical characterisation of the assembly is then conducted through multi-axial tests using a special device (Arcan-Mines) which takes into account the confinement of the laser weld seam. This enables proposing a generalized Drucker-Prager élasto-plastic model.Acoustic emission tests allowed making the assumption of weak link model within the weld seam. The failure is then evaluated through the Weibull statistical model.Probabilistic failure criterion based on the first and the second invariants of stress tensor is finally proposed

Durant les trois années de la thèse, j’ai eu le plaisir de travailler en collaboration avec à la fois des volcanologues, des physiciens de laboratoire et des mathématiciens. Ce mémoire est l’occasion de présenter la démarche et les résultats de mes recherches dans le domaine de la modélisation d’écoulements granulaires denses fluidisés. Ces derniers consistent à développer un nouveau modèle mathématique et son étude théorique et numérique. Sur la base d’observations faites lors d’expériences de laboratoire, nous proposons une façon de modéliser le changement comportemental d’un écoulement granulaire initialement fluidisé au travers de la définition de sa rhéologie viscoplastique à seuil variable. Plus précisément, le seuil de plasticité est défini par la différence entre la pression lithostatique et la pression du fluide interstitiel. La nouveauté apportée par ce modèle ouvre de nouvelles perspectives à la fois pour le champ de recherche en mathématiques et pour la compréhension des lits granulaires fluidisés et leur application à la volcanologie. Du point de vue mathématique, une étude théorique du modèle a été menée. En proposant une preuve de l’existence de solutions faibles à un problème lié à la version homogène du modèle, nous apportons une extension au champ de connaissances autour des écoulements des fluides non-newtoniens. D’autre part, dans le but de reproduire numériquement des expériences de laboratoire de chute de colonne granulaire fluidisée, nous avons développé un code de simulation numérique incluant une nouvelle méthode de résolution des équations d’écoulement de fluides à seuil. Dans ce manuscrit, je décris et justifie les différents choix stratégiques pour le développement de ce code. Par ailleurs, je présente quelques tests académiques permettant de valider le code. Enfin, je donne les résultats de simulation de chute de colonne granulaire, qu’elle soit fluidisée ou non. Une comparaison avec les données de laboratoire est effectuée afin d’évaluer les points forts et les défauts du modèle par rapport à la réalité des expériences. En conclusion, dans la continuité du travail mené dans ce projet, des perspectives d’amélioration sont proposées. / During these three years, I enjoyed to work with collaborators from volcanology, laboratory physics and mathematics. This document presents the steps and results of my research in the field of modelling of fluidised granular flows. The last consists in the development of a new mathematical model and its theoretical and numerical study. Based on observations made on experimental studies, the model focuses on the change in the behaviour of an initially fluidised granular flow through the definition of its viscoplastic rheology with variable threshold. More precisely, the threshold (aslo called yield stress) is defined via the difference between the lithostatic pressure and the pressure of the interstitial fluid. The innovation of this model opens perspectives for the mathematical research as well as for the study of fluidised granular flows and their application to volcanology. From a mathematical point of view, a theoretical study has been conducted. Proving the existence of weak solution for the homogeneous version of the model, we offer an extension in the field of knowledges of non-newtonian fluid flows. Also, we have developped a numerical code to simulate dambreak experiments with fluidised granular media. This one includes a new method to solve the flow equations of viscoplastic fluids. In this thesis, I describe and justify the numerical strategy chosen. Moreover, I present some academic tests to validate the code. At the end, I give the numerical results in the case of the dambreak simulation for dry and fluidised fluids. By comparing with experimental data, we evaluate the validity of the model and its resolution, and highlight the advantages and inconvenients. To conclude the project, I propose some perspectives of improvement for later work.

[pt] Este trabalho de dissertação de mestrado apresenta a implementação da análise limite numérica com formulação mista-fraca, baseada no teorema do límite inferior, e sua aplicação em problemas de estabilidade axissimétricos. Aformulação com elementos finitos foi implementada no software Matlab, onde se estabelece o problema de otimização que compreende a definição da equação de equilibrio e a adaptação dos criterios de ruptura de Drucker-Prager e Mohr-Coulomb às programações cônica de segunda ordem e semidefinida, respectivamente, e que posteriormente é resolvido com o algoritmo Mosek Aps 9.2. Como resultado do problema de otimização o fator de colapso e o campo de velocidades podem ser obtidos, permitindo identificar o mecanismo de ruptura. O presente trabalho foca-se na análise de estabilidade de um poço que é executada em 3 fases, em função das condições consideradas no modelo. Os resultados obtidos da análise axissimétrica foram validados mediante analises em modelos tridimensionais e comparados com resultados dos softwares Plaxis 2D e Optum G2, também foram incluídos os resultados da modelagem MPM, com o sotware MPM-PUCRio. Por fim foi estudado o caso da capacidade de carga de uma fundação circular rasa, cujos resultados foram comparados com os apresentados por outros autores. / [en] This work dissertation presents the implementation of numerical limit analysis with mixed-weak formulation, based on the the lower bound limit theorem and its application in axisymmetric stability problems. The finite element formulation was implemented in Matlab, where the optimization problem is established, which comprises the definition of the equilibrium equation and the adaptation of the Drucker-Prager and Mohr-Coulomb rupture criteria to the second-order cone programming and semidefined programming, respectively, and which is later solved with the Mosek Aps 9.2 algorithm. As a result of the optimization problem, the collapse factor and the speed field can be obtained, allowing to identify the rupture mechanism.The present work focuses on the stability analysis of a well that is carried out in 3 phases, depending on the conditions considered in the model. The results obtained in the axissymmetric analysis were validated through analysis in three-dimensional models and compared with results of plaxis 2D and Optum G2 software, also included the results of MPM modeling, with the software MPM-PUCRio. Finally, the case of the load capacity of a shallow circular foundation is studied, the results of which are compared with those presented by other authors.

La maintenance, la réparation et le renforcement de murs en maçonnerie par matériaux composites collés nécessitent le développement de méthodes et techniques d'évaluation de l'aptitude au service et de requalification tant pour leur restauration fonctionnelle que pour leur adaptation à de nouvelles contraintes (évolution du zonage sismique par exemple). Le présent travail de thèse a pour objectif de proposer un outil d'évaluation par calcul de l'état limite ultime de murs en maçonnerie, renforcés par composites collés, chargés dans leur plan.Les travaux effectués concernent la modélisation par homogénéisation de murs en maçonnerie et une campagne expérimentale de caractérisation du transfert de charge entre un renfort en tissu de fibres de carbone et un support en blocs creux de béton par le biais d'un joint de colle. Pour modéliser la résistance des murs maçonnés, nous proposons une loi élastique parfaitement plastique pour le comportement dans le plan d'une maçonnerie constituée de blocs liés par des joints de mortier. Le convexe de plasticité est obtenu par une technique d'homogénéisation périodique qui prend en compte la nature tridimensionnelle de la cellule de base. On obtient alors un convexe limité par plusieurs surfaces de charge. Un algorithme numérique original est ensuite proposé et programmé dans le logiciel aux Eléments Finis ABAQUS. Des simulations numériques utilisant le module développé sont présentées

Ces dernières années, le collage structural est devenu une technique d'assemblage particulièrement prisée par l'industrie des transports. Son développement est néanmoins ralenti par des restrictions sévères et des règles de dimensionnement qui demeurent quelque peu empiriques. Aujourd'hui encore, les méthodes de caractérisation et les outils basés sur la méthode des éléments finis ne sont pas toujours appropriés aux applications industrielles. Ce travail de thèse a consisté à développer une démarche expérimentale et numérique permettant d'envisager un outil d'aide au dimensionnement des collages structuraux. Pour caractériser mécaniquement l'adhésif au sein d'un assemblage, un dispositif expérimental dérivé du système de M. ARCAN est employé. Celui-ci permet de faire varier la direction de chargement tout en conservant un état de contrainte relativement uniforme au sein du joint. S'appuyant sur les observations expérimentales, un modèle de comportement non linéaire basé sur un critère de Drucker-Prager généralisé est alors proposé. Un éclairage particulier sur la morphologie de la microstructure apporte des éléments concernant les mécanismes d'endommagement. Afin de surmonter les contraintes informatiques industrielles (raffinement du maillage, temps CPU, etc.), un outil numérique a été développé. Celui-ci est basé sur la version-p de la méthode des éléments finis qui permet de conserver des maillages « industriels » avec une description raisonnable des joints collés. Cet outil est apparu assez performant pour détecter les effets de bord sur des maillages grossiers. Ce travail constitue un premier pas vers une prédiction simplifiée de la tenue mécanique des collages structuraux.

Les matériaux composites à matrice thermoplastique occupent de plus en plus un large domaine d'application grâce à leur aptitude à être recyclés et à être assemblés par fusion du polymère, encore appelée soudage. Parmi ces modes d'assemblage, le soudage laser propose de meilleures alternatives. Car, outre le fait qu'elle assure une meilleure tenue mécanique et un meilleur aspect esthétique, cette technique d'assemblage ne crée pas d'endommagement au sein du composite, à l'instar de certaines méthodes comme le rivetage, le vissage ou le boulonnage.L'objectif de ce travail est de proposer un modèle de rupture probabiliste de l'assemblage par faisceau laser d'un composite thermoplastique à fibres continues.Une description fine du matériau est d'abord effectuée par une approche multi-échelles dont le but était de pouvoir prédire le comportement macroscopique du composite de base connaissant les fluctuations locales de sa microstructure.La caractérisation mécanique de l'assemblage est ensuite effectuée par des essais multiaxiaux au moyen d'un dispositif spécifiques (Arcan-Mines) qui prend en compte l'état de confinement du joint soudé. Ce qui a permis de proposer un modèle de comportement élasto-plastique basé sur le critère de Drucker-Prager généralisé.Des tests par émission acoustique ont permis de faire l'hypothèse de l'existence d'un maillon faible au sein du joint soudé. La rupture est alors évaluée par le modèle statistique de Weibull. Un critère de rupture probabiliste basé sur le premier et le second invariant du tenseur des contraintes est finalement proposé.