[pt] Este trabalho estuda problemas geotécnicos e de interação solo-estrutura utilizando o método dos elementos finitos acoplado com a transformada de Fourier. Pela aplicação da transformada de Fourier, as equações diferenciais que governam o problema elástico linear, com as correspondentes condições de contorno, são reescritas no plano de Fourier, permitindo que um problema de natureza tridimensional possa ser numericamente analisado por uma discretização bidimensional. Esta técnica foi empregada neste trabalho para certos problemas de engenharia, como dutovias, túneis e fundações tipo radier, onde a geometria e os parâmetros dos materiais mantêm-se constantes ao longo do eixo longitudinal do corpo, porém admitindo-se variações espaciais no carregamento imposto ao sistema, gerando , assim, um estado tridimensional de tensões. Alguns elementos de interface, com formulação publicada na literatura, foram também considerados na implementação computacional, visto que em problemas de interação solo- estrutura o comportamento do sistema é bastante influenciado pelas propriedades e características mecânicas do solo imediatamente vizinho à estrutura. Os exemplos numéricos apresentados são comparados, sempre que possível, com os resultados obtidos por outra solução analítica ou numérica, procurando discutir as vantagens e limitações do acoplamento da transformada de Fourier com o método dos elementos finitos para a análise de determinada classe de problemas geotécnicos tridimensionais. / [en] In this work some geotechnical and soil-structure interaction problems are studied using the finite element method coupled with a Fourier transform technique. For linear elastic problems, Fourier transforms are applied to the governing field equations, thus enabling that some specific tridimensional problems can be analyzed using a 2D finite element mesh. In conventional finite element applications, a 3D discretization is usually required, but difficulties associated with the preparation of the finite element mesh and the involved computational efforts prevent, in general, the use of a true 3D model. The integral transform method is used in this research for the analysis of some very common problems in geotechnical engineering, such as piping systems, raft foundations and tunnels, where the geometry and the soil profile may be considered constant along a coordinate direction. The applied loading, however, can assume any possible surface distribution, which does not allow to treat the problem under the plane strain assumptions. Some special finite elements presented in the literature, called joint or interface elements, are also incorporated into the finite element computational program written in this research, given that for soil-structure interaction problems the material behavior at the common interface may greatly affect the entire system results. Some numerical examples are presented, and their numerical results are compared, whenever possible, with other solutions obtained using analytical or other numerical technique. Advantages and limitations of the integral transform method to solve tridimensional geomechanics problems are also discussed in this work. / [es] Este trabajo estudia problemas geotécnicos y de interacción suelo-extructura utilizando el método de los elementos finitos acoplado con la transformada de Fourier. Por la aplicación de la transformada de Fourier, las ecuaciones diferenciales que goviernan el problema elástico lineal, con las correspondentes condiciones de contorno, son reescritas en el plano de Fourier, permitiendo que un problema de naturaleza tridimensional pueda ser numericamente analizado por una discretización bidimensional. Esta técnica fue utilizada en este trabajo para ciertos problemas de Ingeniería, como canales, túneles y fundaciones tipo radier, donde la geometría y los parámetros de los materiales se mantienen constantes a lo largo del eje longitudinal del cuerpo, aunque se admiten variaciones espaciales en la carga impuesta al sistema, generando , así, un estado tridimensional de tensiones. En la implementación computacional fueron considerados algunos elementos de la interfaz, con formulación publicada en la literatura, ya que en problemas de interacción suelo-extructura, el comportamiento del sistema está bastante influenciado por las propiedades y características mecánicas del suelo imediatamente vecino a la extructura. Los ejemplos numéricos presentados se compararon, siempre que fue posible, con los resultados obtenidos por otra solución analítica o numérica, discutiendo las ventajas y limitaciones del acoplamiento de la transformada de Fourier con el método de los elementos finitos para el análisis de determinada clase de problemas geotécnicos tridimensionales.

[pt] O processo de revestimento de substratos é uma das principais etapas na manufatura de diversos produtos, tais como eletrônicos transparentes, fitas magnéticas e adesivos. Em sua grande maioria, os estudos disponíveis na literatura consideram que o líquido de revestimento é um fluido Newtoniano. No entanto, em grande parte das aplicações, este fluido é mais complexo, sendo composto por partículas dispersas em uma fase contínua. Nesse sentido, efeitos reológicos relacionados à presença das partículas no escoamento ainda não são bem estabelecidos. Por exemplo, variações nos valores locais de taxa de cisalhamento e concentração induzem à diferentes mecanismos de migração de partículas que, por sua vez, podem mudar os padrões do escoamento e a estrutura final do filme. Além disso, se o tamanho das partículas é pequeno o suficiente de modo que forças coloidais são relevantes, fenômenos locais como redução ou aumento de viscosidade podem ocorrer dependendo das contribuições macroscópicas do escoamento. Neste trabalho, as equações de conservação de massa, momento e transporte de partículas são consideradas juntas com um modelo de viscosidade sensível a variações locais tanto de concentração quanto da taxa de cisalhamento. Nesse sentido, o Modelo de Fluxo Difusivo é empregado com o intuito de capturar fluxos difusivos de partículas em casos nos quais interações irreversíveis entre partículas são relevantes. As equaçõoes de conservação são acopladas a um sistema de equações diferencias que descreve o mapeamento numérico entre o domínio físico e outro de referência, e são discretizadas usando o Método de Elementos Finitos com a formulação fraca de Galerkin. O sistema não-linear resultante é resolvido por meio do método de Newton associado à um robusto método LU de decomposição matricial. Os resultados mostram que o comportamento reológico de suspensões coloidais afeta a distribuição final de partículas no filme depositado e os limites de operação de um processo típico de revestimento de substrato por extrusão. / [en] Coating is the main step in the manufacturing process of many common and new products such as paper, adhesive and magnetic tapes, and flexible and transparent electronics. Most of the available analyses consider the coating liquid as Newtonian. However, in many applications the coating liquid is a complex fluid composed by particles suspended in a viscous medium. The effect of suspended particles in the coating liquid on the coating flow remains unknown. Local variation of particle concentration associated with different mechanisms of particle migration may lead to viscosity gradients, which can change the flow pattern and final particle structure in the coated film. Moreover, if the particles are small enough, colloidal forces are important and hence non-Newtonian behavior such as shear-thinning and shear-thickening may occur. In this study, the conservation equations of mass, momentum and particle transport, are considered in which the viscosity is assumed to vary not only with local particle concentration but also with local shear rate (i.e. shear sensitive liquids). With this in mind, we employ the Diffusive Flux Model (DFM) to capture particle diffusion where irreversible particle-particle interactions are dominant. The conservation equations together with the set of differential equations that describes the mapping between the unknown flow domain to a fixed reference domain are solved using the Galerkin/Finite Element Method (GFEM). The resulting non-linear system of algebraic equations is solved using Newton s method coupled with a robust LU frontal solver. The results show how the rheological behavior of colloidal suspensions affects the particle distribution on the deposited liquid film and the process limits in a typical slot coating flow.

[pt] Este trabalho tem por objetivo o desenvolvimento de uma ferramenta numérica para avaliação do fluxo saturado-não saturado em encostas de grandes dimensões, com aplicação na análise de estabilidade dessas áreas. Emprega-se o método dos elementos finitos na solução da equação de Richards, considerando a carga de pressão como variável primária e utilizando formulação adequada para minimização dos problemas de conservação de massa, freqüentemente, associados a esse fato. O modelo constitutivo utilizado para a curva característica e função de condutividade hidráulica é o proposto por Van Genuchten (1980). Para solução da não-linearidade, emprega-se um método quasi- Newton (BFGS). Com o objetivo de minimizar os requisitos de memória computacional, utiliza-se esquema de armazenamento de matriz esparsa, associado ao método de gradiente biconjugado, na solução do sistema de equações. Paralelamente, é apresentado algoritmo de geração de malha tridimensional de elementos finitos, a partir de uma malha superficial de triângulos, representativa da topografia. Análises numéricas são executadas com a finalidade de validação do código gerado, comparando-se os resultados obtidos com aqueles gerados por outros programas já consagrados na literatura técnica. É proposta metodologia para geração de mapas de susceptibilidade a escorregamentos translacionais rasos, empregando-se o método do talude infinito, associado à estrutura da malha de elementos finitos e aos resultados do problema de fluxo, incorporando- se, assim, o efeito do estado de não saturação na resistência do material. / [en] The aim of this work is to develop a numerical tool for the analysis of saturated-unsaturated flow in large scale natural slopes, applied to the study of the stability of these areas. The finite element method is applied to solve the Richard`s equation, taking into account the pressure head as the primary variable and using an adequate formulation to minimize the mass conservation issues. The constitutive model used to the characteristic curve and hydraulic constitutive function is the one presented by van Genuchten (1980). A quasi-Newton method (BFGS) is applied for the solution of the non-linearity. A sparse matrix storage scheme, with the objective of reducing the computational memory requirements, is associated to the bi- conjugated gradient method for the solution of the system of equations. An algorithm of finite elements mesh is presented, which generates the 3D mesh from a triangle superficial mesh representing the relief. Numerical analyses are performed in order to validate the code, by comparing the results with those generated by others widely known codes presented in the technical literature. A methodology for the generation of susceptibility maps to shallow translational landslides is delineated, which employs the infinite slope method to the finite elements mesh structure and the flow problem results, considering the effect of the unsaturated state in the material strength.

[pt] Neste trabalho o método dos elementos finitos é empregado para analisar a estabilidade de taludes em solo solapados por voçorocas. Muitos dos deslizamentos de solo que ocorrem em taludes e encostas têm sido causados pelo fenômeno de voçorocas, o resultado de um processo de erosão de solos muito complexo. Uma breve revisão sobre a formação e o crescimento de voçorocas, bem como sobre os seus efeitos na estabilidade de taludes em solo, é feita neste trabalho. Exemplos ilustrativos da aplicação desta técnica para alguns casos de taludes e encostas erodidos por voçorocas são apresentados, incluindo-se duas análises numéricas da estabilidade de encostas situadas na cidade de Goiânia - GO. Dificuldades numéricas devido à baixa taxa de convergência da solução nas proximidades do colapso do talude são também discutidas. / [en] In this work the finite element method is employed to analyze the stability of soil slopes undermined by voçorocas (gulling). Many of the shear slides occurred in both natural slopes and embankments have been caused by the phenomenon of voçorocas, the outcome of a very complex soil erosion mechanism. A brief review about the formation and growing of voçorocas, as well as an overview of their effects on soil slope stability, are made in this work. In the numerical simulation by the finite element method, the potential slip surface is identified through the progressive formation of a region of yielded soil as the erosion process advances. A simple model, consisting of incremental excavations of soil near the foot of the slope, is used in this work to represent the undermining mechanism. Illustrative examples of this technique are presented for some cases of natural soil slopes eroded by voçorocas in the city of Goiania - GO. Numerical difficulties due to the poor convergence of the solution near the soil collapse are also discussed.

[pt] Nos últimos anos na cidade de Lima as escavações profundas alcançaram uma presença maior, devido à recente demanda pela construção de edifícios altos e centros comerciais com vários níveis de subsolos, onde utilizam-se preferencialmente as cortinas atirantadas para a contenção dos solos. No entanto, a técnica de solo grampeado mostra-se como uma alternativa interessante, dado que também permite fornecer suporte lateral e limitar os movimentos do solo. A técnica consiste em reforçar o bloco do solo atrás da parede através das inclusões passivas, criando uma estrutura de gravidade consistente que permite aumentar a resistência geral ao cisalhamento e restringir os deslocamentos. Este estudo de caso procura avaliar os deslocamentos horizontais em uma escavação de 15m de altura em um entorno urbano, onde o solo é predominantemente de pedregulho denso mal graduado, parte do depósito aluvial do Conglomerado de Lima. A estimativa dos parâmetros de resistência baseou-se em ensaios de cisalhamento direto in situ em grande escala e ensaios de arrancamento encontrados na literatura. O acompanhamento dos deslocamentos ao longo do processo construtivo, foi realizado a través de inclinômetros instalados no perímetro, em locais estratégicos para avaliar os deslocamentos mais críticos na escavação. A avaliação de erros sistemáticos em inclinômetros é também abordada no estudo. Complementarmente, realizaram-se análises numéricas com programas de equilíbrio limite e elementos finitos, que permitiram avaliar os fatores de segurança e os deslocamentos com o objetivo de comparar os dados de campo com os resultados calculados. Através de análise paramétrica e calibração do modelo foi possível conhecer a influência dos parâmetros geotécnicos e geométricos de escavações profundas grampeadas. / [en] In recent years in the city of Lima, the execution of deep excavations growth, due to the recent demand for the construction of high-rise buildings and shopping malls having various levels of basements, where anchorage walls systems are preferably used to soil retention. However, the soil nailing technique is an interesting alternative, by reason to provide lateral support and limit movements. The soil nailing technique consists of reinforcing the soil block behind the wall through passive inclusions, producing a consistent gravity structure that allows the increas of the shear strength and restricting displacements. This case study aims to evaluate the horizontal displacements generated in a 15m high deep excavation in an urban environment, where the existing soil is predominantly of poorly graded dense gravel, component of the alluvial deposit of the Lima Conglomerate. The estimate of strength parameters for this type of soil was based on large-scale in situ direct shear tests and pullout tests found in the literature. The monitoring of displacements throughout the construction process was carried out using vertical inclinometers installed on the perimeter, in strategic locations to assess the most critical displacements that the excavation could experience. The evaluation of systematic errors in inclinometers is also approached in the study. In addition, numerical analyzes were carried out with limit equilibrium and finite element programs, which allowed evaluating the safety factors and displacements in order to compare the field data with the calculated results. Through parametric analysis and model calibration, it was possible to know the influence of geotechnical and geometric parameters of nailed deep excavations.

[pt] Após a década de 80 tornou-se frequente a utilização de poços direcionais, tanto poços horizontais quanto os de longo alcance, nas operações de desenvolvimentos de campos petrolíferos, os quais permitiram grande avanço na exploração. Este cenário, porém, traz grandes desafios para operações de perfuração relacionadas à limpeza de poços. A limpeza de poços consiste na remoção dos cascalhos de dentro do anular do poço através da circulação do fluido de perfuração. Devido à inclinação do poço, os cascalhos sofrem a ação da gravidade sendo empurrados para o fundo do canal, já que possuem densidade maior que a da fase líquida, assim, transportados a uma velocidade menor que a velocidade do escoamento. Ao se depositarem no fundo do canal, formam um leito estacionário, obstruindo parte do anular e diminuindo a vazão, o que gera problemas, como por exemplo, redução da taxa de penetração, desgaste prematuro da broca, elevação do torque e arraste, aprisionamento da coluna, perda de circulação, dentre outros, podendo gerar a perda do poço. Desta forma, o perfeito entendimento do processo de sedimentação e transporte de partículas sólidas suspensas em fluido é fundamental para a otimização do processo de perfuração de poços. Este trabalho analisa o escoamento laminar bidimensional de suspensões de partículas sólidas devido a um gradiente de pressão entre duas placas paralelas, representando uma descrição simplificada do escoamento que ocorre em um anular de poço durante o processo de perfuração. O perfil do leito de partículas ao longo do canal e a relação vazão-diferença de pressão para diferentes condições de escoamento são determinados pela solução numérica das equações que descrevem o problema. A formulação matemática leva a um sistema acoplado de três equações diferenciais: conservação de massa e de quantidade de movimento e a equação de transporte, que engloba os efeitos de difusão de partículas devido à frequência de interação entre as partículas, ao gradiente de viscosidade e à diferença de densidade entre o líquido e as partículas. O sistema é resolvido pela técnica de Elementos Finitos, através do método de Galerkin. Os resultados obtidos serão de extrema importância no desenvolvimento de modelos mais precisos que descrevam o processo de transporte de sólidos em anulares de poços. / [en] After the 80 s, the use of directional wells, both horizontal and long range wells, became frequent in the development of oil fields, which allowed great progress in exploration. This scenario, however, brings great challenges to operations related to wellbore cleaning. Wellbore cleaning consists in the removal of cuttings from within the annular through the circulation of drilling fluid. Due to the inclination of the well, the cuttings undergo the action of gravity and more to the bottom of the channel, as they have higher density than the liquid phase. They may be transported with a speed less than the speed of the liquid flow. When deposited on the channel, the cuttings form a stationary bed, blocking part of the annular and decreasing the flow rate that causes problems, such as reducing the rate of penetration, premature wear of the bit, high torque and drag, trapping column, loss of circulation and others, which may cause the loss of the well. Therefore, the fundamental understanding of particle sedimentation and transport in a suspending flowing liquid is necessary for drilling operation design and optimization. This research studies the laminar two-dimensional flow of solid particles suspended in a liquid due to a pressure gradient between two parallel plates, representing a simplified description of the flow that occurs in an annular during the drilling process. The profile of the particle bed along the channel and the flow rate pressure difference relationship for different flow conditions are determined. The mathematical formulation leads to a coupled system of three differential equations: mass and momentum conservation and transport equation, which includes the effects of particle diffusion due to the frequency of interaction between the particles, the gradient of viscosity and the difference density between the liquid and the particles. The system is solved by the finite element method Galerkin. The results will be of extreme importance in the development of more accurate models that describe the solids transport process in annular space.

[pt] As zonas de falha são compostas por um núcleo, onde a maior parte da deformação é acomodada, e uma zona de dano, com deformação menos intensa. A zona de dano pode atuar como caminho de fluxo preferencial devido à presença de fraturas, ou como barreira devido às bandas de deformação. Portanto, sua caracterização é essencial para a adoção de estratégias de produção adequadas em campos de petróleo. Os métodos geofísicos geralmente utilizados, porém, dificilmente permitem a identificação das zonas de dano devido à baixa resolução sísmica. Como alternativa, empregam-se observações em afloramentos superficiais. Contudo, há uma grande dispersão de dados, que pode estar relacionada a uma variedade de fatores, como as propriedades da rocha protólita e os mecanismos de deformação atuantes. Neste sentido, este trabalho apresenta duas metodologias baseadas no método dos elementos finitos (MEF) para analisar a formação e evolução das zonas de dano em escala de reservatório. Na primeira abordagem, a zona de falha é totalmente representada através de um meio contínuo, enquanto que na segunda, a falha é representada como um plano por meio de uma descontinuidade. Em ambas aproximações, a zona de dano é estabelecida através das regiões plastificadas. Os resultados numéricos obtidos se aproximaram das observações de campo e possibilitaram a identificação das vantagens e limitações das duas abordagens baseadas no MEF. Por fim, os resultados também permitiram identificar os principais parâmetros geomecânicos que influenciam o desenvolvimento das zonas de dano, bem como os diferentes mecanismos de deformação que ocorrem ao longo da zona de dano. / [en] Fault zones are composed of two structural domains: the fault core, which accommodates most of the deformation, and a damage zone, with less intense deformation. The damage zone may act as a preferential flow path due to the presence of fractures, or as a barrier due to deformation bands. Therefore, the characterization of geological fault zones is essential for the adoption of adequate production strategies in oil fields. Generally, geophysical methods are used to characterize geological faults in the field. However, they hardly allow the identification of damage zones due to low seismic resolution. Alternatively, damage zones are analyzed through surface outcrops. Nonetheless, there is a wide dispersion of data in this type of study, which may be related to various factors, such as the properties of the host rock and the acting deformation mechanisms. Therefore, it is interesting to carry out this type of study in conjunction with numerical modeling to understand better the damage zone formation process. In this study, we present two methodologies based on the finite element method (FEM) to analyze the formation and evolution of damage zones at a reservoir scale. In the first methodology, the entire fault zone is represented through a continuum medium, while in the second methodology, the fault core is represented as a plane through a discontinuity. In both approaches, the damage zone is defined through the regions where plastic deformations were triggered. The numerical results obtained were close to field observations. They enabled the identification of the advantages and limitations of the two approaches based on the MEF. Finally, the results also allowed to identify the main parameters that influence the development of the damage zones and the different deformation mechanisms that occur along the damage zone.

[pt] Compósitos cimentícios estão ganhando cada vez mais relevância na indústria da construção civil. No entanto, as diretrizes para o projeto do material compósito e dos seus elementos estruturais são ainda incipientes, pois mecanismos de ponte de transferência de forças providos pelas fibras ainda estão sob investigação. Este trabalho apresenta uma estratégia de modelagem de elementos finitos que leva em consideração a estrutura de nível mesoestrutural do material cimentício reforçado com fibras. Desta forma, quatro fases do material são consideradas no modelo numérico: agregados graúdos, argamassa, zona de transição interfacial (ZTI) e fibras. A argamassa e os agregados são modelados usando elementos contínuos triangulares com comportamento linear-elástico. As fibras são incluídas usando elementos de treliça unidimensionais acopladas a elementos bidimensionais contínuos. Uma técnica de fragmentação de malha é usada para introduzir elementos de interface nas arestas dos elementos de argamassa e na interface entre agregados e argamassa para representar a ZTI. O método Take-and-Place, proposto por Wriggers e Moftah (2006), foi adotado neste estudo para incluir agregados no modelo. Primeiro, os agregados são gerados seguindo uma curva de Fuller, que define um empacotamento entre os agregados perfeitos. Na segunda fase, os agregados são introduzidos no modelo garantindo a não sobreposição entre eles. Finalmente, as fibras são adicionadas. Para validar a metodologia proposta, testes experimentais foram simulados com sucesso em um framework de simulação numérica – GeMA. Por fim, o trabalho explora a influência do empacotamento fibra-agregado na resposta mecânica e nos padrões de fraturamento de compósitos cimentícios fibrosos. / [en] Fiber Reinforced Concrete (FRC) materials are gaining more relevance in the construction industry. However, the guidelines for the design of the composite material and of structural elements thereof are incipient and the stress bridging mechanisms are still under investigation. This work presents a finite element modelling strategy that takes into account the material meso-level structure. Four phases of the FRC material are considered in the model: coarse aggregates, mortar, interfacial transition zone (ITZ), and fibers. The mortar and aggregates are modelled using triangular linear elements with linear–elastic behavior. Fibers are included using one-dimensional truss elements which are coupled to the matrix through the technique proposed by Congro (2021). Zero-thickness interface elements are introduced at the interface between mortar elements, and at the interface between aggregates and mortar to represent the ITZ. The Take-and-Place method, obtained from Wriggers and Moftah (2006), was adopted in this study to include aggregates in the model. First, the aggregates are generated following a Fuller s curve that means a perfect aggregate package. In the second phase, the aggregates are placed in the model without overlapping. Finally, fibers were added. A mesh fragmentation technique is used to introduced zero-thickness interface elements at the interface between mortar elements, and at the interface between aggregates and mortar to represent the ITZ. To validate the proposed methodology, direct tensile test models were successfully reproduced in finite element analyses performed in an in-house framework – GeMA. Based on the obtained results, the authors could explore the influence of the fibers-aggregate packing in the mechanical response of the composite material.

[pt] A interação entre o cimento e outros constituintes desempenha um papel importante em várias aplicações de Engenharia, como nas indústrias de construçãocivil e de óleo e gás (OeG). Na indústria da construção, os compósitos cimentícios reforçados com fibras (CRF) ganharam grande destaque por suas excelentes propriedades mecânicas. As fibras podem aumentar a resistência crítica à fissuração do compósito, melhorando a durabilidade do concreto convencional e controlando a propagação de fissuras na matriz cimentícia. Além disso, as fibras desenvolvem um mecanismo de ponte de transferência de tensões na interface, alterando o comportamento pós-pico do compósito. Por outro lado, na indústria de OeG, cimento e aço são elementos estruturais essenciais que devem garantir a integridade de poços e fornecer isolamento para a passagem de fluidos, especialmente em cenários de abandono. Esse mecanismo na interface é considerado crítico, uma vez que uma interação não eficaz pode permitir a formação de caminhos de vazamento no microanular ao longo da interface cimento-aço, gerando a formação de fissuras. Neste sentido, um estudo abrangente dos mecanismos de dano desenvolvidos na interface do cimento é essencial em ambas as aplicações para entender o comportamento mecânico do material. Portanto, faz-se necessário o desenvolvimento de modelos de elementos finitos que considerem os mecanismos de pullout (descolamento, adesão e atrito) e os parâmetros de interface que governam o comportamento mecânico local do cimento. Embora existam numerosos estudos experimentais e modelos numéricos na literatura, o estado-da-arte atual carece de formulações que investiguem os mecanismos de mapeamento de dano e as interações de transferência de tensão na interface do cimento, especialmente considerando diferentes tipos de matriz de cimento e geometrias de fibra de aço.Esta tese aborda uma lacuna crítica na literatura ao propor a modelagem numérica do descolamento interfacial e mecanismos de evolução de dano para materiais cimentícios avançados e em aplicações de integridade de poços. Modelos de elementos finitos elastoplásticos, incorporando formulações coesivas baseadas em superfícies de contato, são empregados para simular o comportamento da interface do cimento. Além disso, ensaios experimentais de caracterização mecânica e análises de microtomografia são realizados para validar e apoiar os resultados do modelo numérico, avaliando a resistência ao cisalhamento e a propagação de dano na interface do cimento. Assim sendo, esta pesquisa pode oferecer contribuições para engenheiros de diferentes áreas aprimorarem o desempenho mecânico e prototipar novos materiais avançados por meio da investigação da evolução do dano. Os modelos de elementos finitos desenvolvidos emergem como ferramentas valiosas para avaliações de desempenho do cimento de maneira eficaz, simulando confiavelmente o comportamento de pullout/pushout. / [en] The interaction between cement and other constituents plays an important role in several engineering applications, such as in the construction and oil and gas (OandG) industries. In the construction industry, fiber-reinforced cementitious composites (FRC) have gained wide prominence for their excellent mechanical properties. Fibers can increase the post-cracking strength of the composite, improving concrete durability and controlling crack propagation in the cement matrix. Moreover, they perform a bridging mechanism at the interface, changing the material post-peak behavior. On the other hand, in the OandG industry, cement and steel are essential structural elements that should ensure well integrity and provide zonal isolation. This interaction is considered critical since a strong bond may prevent the generation of microannulus leakage paths along the cement and steel interface, which also can lead to crack propagation. In this sense, a comprehensive study of the damage mechanisms developed at the cement interface is essential in both applications to understand the material mechanical behavior. Therefore, it is possible to develop finite element models that consider the pullout mechanisms (debonding, adhesion, and friction) and the interface parameters that govern the local mechanical behavior of cement. While numerous experimental studies and numerical models exist, the current state-of-the-art lacks formulations investigating damage mapping and stress transfer interactions at the cement interface, particularly considering different cement matrix types and steel fiber geometries. This thesis addresses a critical gap in the literature by proposing the numerical modeling of interfacial debonding and damage evolution mechanisms for cement advanced materials and well integrity applications. Elastoplastic finite element models, incorporating surface-based cohesive formulations with contact, are employed to simulate cement interface behavior. Additionally, mechanical characterization tests and microCT analyses are conducted to validate and support the numerical model results, assessing shear strength and damage propagation at the cement interface. Therefore, this research can offer insights for engineers across disciplines to enhance mechanical performance and prototype new advanced materials by damage evolution investigation. The developed finite element models emerge as valuable tools for cost-effective evaluations of cement performance through reliably simulating pullout/pushout behavior.

[pt] O concreto de ultra alto desempenho (UHPC) reforçado com fibras é um material que foi desenvolvido nas últimas décadas para atender à necessidade de estruturas modernas por um material mais resistente e durável. Suas características altamente não lineares tanto na tração quanto na compressão levam a um comportamento complexo. Além disso, a distribuição não homogênea das fibras e a alta resistência à tração, quando comparada ao concreto convencional, resultam em menor ductilidade para vigas de UHPC. A análise de elementos finitos mostra ser uma ferramenta adequada para representar a resposta de elementos estruturais de UHPC, mas a calibragem do modelo deve ser aplicada corretamente e técnicas de modelagem coerentes devem ser usadas para representar corretamente os tramos pós-pico de curvas força-deslocamento para vigas de UHPC submetidas a testes de flexão de quatro pontos. Foi realizada uma extensa caracterização do material tanto em tração quanto em compressão. Testes axiais monotônicos foram conduzidos para obter curvas tensão-deformação na compressão e tensão-abertura de fissura na tração. Testes cíclicos foram realizados para determinar a evolução do dano experimental em compressão e na tração. Esses dados serviram como referência para calibrar modelos uniaxiais e modelos de evolução de dano de acordo com expressões analíticas disponíveis na literatura. Modelos heterogêneos simulando a dispersão do material nas propriedades mecânicas do UHPC ao longo do volume das vigas foram utilizados para obter uma seção transversal que apresentasse resistência otimizada, mantendo a ductilidade desejada. Finalmente, cinco vigas foram testadas, com diferentes formas e porcentagens de reforço, e estratégias de modelagem foram comparadas aos dados experimentais das vigas. / [en] Ultra-high performance concrete is a material which has been developed in the last decades to fulfill modern structures need for a more resistant and durable material. Its highly nonlinear characteristics in both tension and compression leads to a complex behavior. In addition to that, the inhomogeneous distribution of the fibers and the high tensile strength when compared to conventional concrete result in reduced ductility for UHPC beams. Finite element analysis is shown to be an adequate tool to represent UHPC structural element s response but the model calibration must be correctly applied and coherent modeling techniques must be used to correctly model the post-peak branches of load-displacement curves for UHPC beams subjected to four-point load bending tests. An extensive material characterization in both tension and compression was conducted. Monotonic axial tests were conducted to obtain stress-strain curves in compression and stress-crack opening in tension and cyclic tests were made to determine the experimental damage evolution in compression and in tension. These data served as input to calibrate uniaxial models and damage evolution models according to analytical expressions available in the literature. Heterogeneous models simulating the material dispersion of the mechanical properties of the UHPC over structural beams were used to obtain a cross-section that presented optimized resistance while maintaining target ductility. Finally, five beams were tested, with different shapes and reinforcement ratios and the modeling strategies were benchmarked to the beams experimental data.