The primary focus in this research is on proposing a methodology for modeling of discrete crack propagation in geomaterials such as soil, rock, and concrete. Structures made of such materials may undergo damage due to several reasons. Here, mechanical loading and chemo-mechanical interactions that result in degradation of strength parameters are considered as the sources of damage initiation. Both tensile and compressive cracks are investigated. For analysis of crack propagation, two different methodologies are employed; the Constitutive Law with Embedded Discontinuity (CLED) and the Extended Finite Element Method (XFEM). The CLED approach is enhanced here to describe the discrete nature of crack propagation. This is done by coupling the CLED with explicit modeling of crack path using the Level-Set method. The XFEM is used as a verification tool to check the results from CLED analysis. An algorithm is proposed for crack initiation and propagation that results in stable and a mesh-independent solution. The CLED approach is further improved by developing the return-mapping and closest-point projection algorithms. Extensive numerical investigations are conducted that include mode I cracking in a three point bending test, mode I cracking in notched cantilever beam, mixed cracking mode in a plate subjected to shear and tension, and a mixed mode cracking in a notched beam under four point loading. For frictional interfaces, the shear band formation in a sample subjected to bi-axial compression and the shear band formation in a geo-slope are studied. The thesis also addresses the topic of the response of unsaturated cohesive soils undergoing an infiltration process. The problem is approached within the framework of Chemo-Plasticity. It is assumed that the complex chemo-mechanical interactions are the controlling factors for degradation of strength parameters during this process. A return mapping integration scheme is developed and the approach is employed to investigate the stability of a geoslope subjected to a heavy rainfall. Analysis of shear band formation is further investigated in the context of sedimentary rocks. The microstructure tensor approach is used to describe the inherent anisotropy in this class of materials. The orientation of the shear band is defined by invoking the Critical Plane approach and the closest-point projection algorithm is developed for numerical integration of the governing constitutive relations. The model is used along with CLED for analysis of the mechanical response of Tournemire argillite. It is shown that the friction between loading platens and sample can play an important role in the process of shear band formation and the associated assessment of the ultimate load. A mesh-sensitivity analysis employing the CLED framework is also conducted here. The research clearly demonstrates that the discrete representation of crack path propagation is essential for an accurate analysis of failure in various engineering structures. It is shown that if the classical smeared Constitutive Law with Embedded Discontinuity is enhanced to simulate the discrete nature of the damage process, it can yield very accurate results that are virtually identical to those obtained from discrete approaches such as XFEM. / Thesis / Candidate in Philosophy

In this work, several beam finite element formulations are proposed for failure analysis of planar reinforced concrete beams and frames under monotonic static loading. The localized failure of material is modeled by the embedded strong discontinuity concept, which enhances standard interpolation of displacement (or rotation) with a discontinuous function, associated with an additional kinematic parameter representing jump in displacement (or rotation). The new parameters are local and are condensed on the element level. One stress resultant and two multi-layer beam finite elements are derived. The stress resultant Euler-Bernoulli beam element has embedded discontinuity in rotation. Bending response of the bulk of the element is described by elasto-plastic stress resultant material model. The cohesive relation between the moment and the rotational jump at the softening hinge is described by rigid-plastic model. Axial response is elastic. In the multi-layer beam finite elements, each layer is treated as a bar, made of either concrete or steel. Regular axial strain in a layer is computed according to Euler-Bernoulli or Timoshenko beam theory. Additional axial strain is produced by embedded discontinuity in axial displacement, introduced individually in each layer. Behavior of concrete bars is described by elastodamage model, while elasto-plasticity model is used for steel bars. The cohesive relation between the stress at the discontinuity and the axial displacement jump is described by rigid-damage softening model in concrete bars and by rigid-plastic softening model in steel bars. Shear response in the Timoshenko element is elastic. Finally, the multi-layer Timoshenko beam finite element is upgraded by including viscosity in the softening model. Computer code implementation is presented in detail for the derived elements. An operator split computational procedure is presented for each formulation. The expressions, required for the local computation of inelastic internal variables and for the global computation of the degrees of freedom, are provided. Performance of the derived elements is illustrated on a set of numerical examples, which show that the multi-layer Euler-Bernoulli beam finite element is not reliable, while the stress-resultant Euler-Bernoulli beam and the multi-layer Timoshenko beam finite elements deliver satisfying results.

Objectifs de la thèse : l’analyse à rupture de structure de type solides et membranes et la modélisation de la rupture quasi-fragile par la méthode des éléments finis à forte discontinuité en cas de solide 2D. Dans ce travail, la méthode de continuation avec une équation de contrainte quadratique est présentée sous sa forme linéarisée. En présence de ruptures locales, la méthode de continuation standard peut échouer. Afin d’améliorer la performance de cette méthode, nous proposons de nouvelles versions plus sophistiquées qui prennent en compte les ruptures locales des matériaux. D’une part, une version est basée sur une équation supplémentaire adaptative imposant une limitation. Cette version est considérée relativement satisfaisante pour les matériaux adoucissants. D’autres versions sont basées sur le contrôle de la dissipation incrémentale pour les matériaux inélastiques. Plusieurs formulations d’éléments finis à forte discontinuité sont présentées en détails pour l’analyse de rupture quasi-fragile. Les approximations discrètes du champ de déplacement sont basées sur des éléments quadrilatéraux isoparamétriques ou des éléments quadrilatéraux enrichis par la méthode des modes incompatibles. Afin de décrire la formation d’une fissure ainsi que son ouverture, la cinématique de l’élément est enrichie par quatre modes de séparation et des paramètres cinématiques. On a également proposé un nouvel algorithme de repérage de fissure pour l’évaluation de la propagation de la fissure à travers le maillage. Plusieurs exemples numériques sont réalisés afin de montrer la performance de l’élément quadrilatéral à forte discontinuité ainsi que l’algorithme de repérage de fissure proposé. / The thesis studies: the methods for failure analysis of solids and structures, and the embedded strong discontinuity finite elements for modelling material failures in quasi brittle 2d solids. As for the failure analysis, the consistently linearized path-following method with quadratic constraint equation is first presented and studied in detail. The derived path-following method can be applied in the nonlinear finite element analysis of solids and structures in order to compute a highly nonlinear solution path. However, when analysing the nonlinear problems with the localized material failures (i.e. materialsoftening), standard path-following methods can fail. For this reason we derived new versions of the pathfollowing method, with other constraint functions, more suited for problems that take into account localized material failures. One version is based on adaptive one-degree-of-freedom constraint equation, which proved to be relatively successful in analysing problems with the material softening that are modelled by the embedded-discontinuity finite elements. The other versions are based on controlling incremental plastic dissipation or plastic work in an inelastic structure. The dissipation due to crack opening and propagation, computed by e.g. embedded discontinuity finite elements, is taken into account. The advantages and disadvantages of the presented path-following methods with different constraint equations are discussed and illustrated on a set of numerical examples. As for the modelling material failures in quasi brittle 2d solids (e.g. concrete), several embedded strong discontinuity finite element formulations are derived and studied. The considered formulations are based either on: (a) classical displacement-based isoparametric quadrilateral finite element or (b) on quadrilateral finite element enhanced with incompatible displacements. In order to describe a crack formation and opening, the element kinematics is enhanced by four basic separation modes and related kinematic parameters. The interpolation functions that describe enhanced kinematics have a jump in displacements along the crack. Two possibilities were studied for deriving the operators in the local equilibrium equations that are responsible for relating the bulk stresses with the tractions in the crack. For the crack embedment, the major-principle-stress criterion was used, which is suitable for the quasi brittle materials. The normal and tangential cohesion tractions in the crack are described by two uncoupled, nonassociative damage-softening constitutive relations. A new crack tracing algorithm is proposed for computation of crack propagation through the mesh. It allows for crack formation in several elements in a single solution increment. Results of a set of numerical examples are provided in order to assess the performance of derived embedded strong discontinuity quadrilateral finite element formulations, the crack tracing algorithm, and the solution methods. / Doktorska disertacija obravnava: (i) metode za porušno analizo trdnih teles in konstrukcij, ter (ii) končne elemente z vgrajeno močno nezveznostjo za modeliranje materialne porušitve v kvazi krhkih 2d trdnih telesih. Za porušno analizo smo najprej preučili konsistentno linearizirano metodo sledenja ravnotežne poti skvadratno vezno enačbo (metoda krožnega loka). Metoda omogoča izračun analize nelinearnih modelov, ki imajo izrazito nelinearno ravnotežno pot. Kljub temu standardne metode sledenja poti lahko odpovedo,kadar analiziramo nelinearne probleme z lokalizirano materialno porušitvijo (mehčanje materiala). Zatosmo izpeljali nove različice metode sledenja poti z drugimi veznimi enačbami, ki so bolj primerne zaprobleme z lokalizirano porušitvijo materiala. Ena različica temelji na adaptivni vezni enačbi, pri katerivodimo izbrano prostostno stopnjo. Izkazalo se je, da je metoda relativno uspešna pri analizi problemov zmaterialnim mehčanjem, ki so modelirani s končnimi elementi z vgrajeno nezveznostjo. Druge različicetemeljijo na kontroli plastične disipacije ali plastičnega dela v neelastičnem trdnem telesu ali konstrukciji.Upoštevana je tudi disipacija zaradi širjenja razpok v elementih z vgrajeno nezveznostjo. Prednosti inslabosti predstavljenih metod sledenja ravnotežnih poti z različnimi veznimi enačbami so predstavljeni naštevilnih numeričnih primerih. Za modeliranje porušitve materiala v kvazi krhkih 2d trdnih telesih (npr. betonskih) smo izpeljali različne formulacije končnih elementov z vgrajeno močno nezveznostjo v pomikih. Obravnavane formulacije temeljijo bodisi (a) na klasičnem izoparametričnem štirikotnem končnem elementu bodisi (b) na štirikotnem končnem elementu, ki je izboljšan z nekompatibilnimi oblikami za pomike. Nastanek in širjenje razpoke opišemo tako, da kinematiko v elementu dopolnimo s štirimi osnovnimi oblikami širjenja razpoke in pripadajočimi kinematičnimi parametri. Interpolacijske funkcije, ki opisujejo izboljšano kinematiko, zajemajo skoke v pomikih vzdolž razpoke. Obravnavali smo dva načina izpeljave operatorjev, ki nastopajo v lokalni ravnotežni enačbi in povezujejo napetosti v končnem elementu z napetostmi na vgrajeni nezveznosti. Kriterij za vstavitev nezveznosti (razpoke) temelji na kriteriju največje glavne napetosti in je primeren za krhke materiale. Normalne in tangentne kohezijske napetosti v razpoki opišemo z dvema nepovezanima, poškodbenima konstitutivnima zakonoma za mehčanje. Predlagamo novi algoritem za sledenje razpoki za izračun širjenja razpoke v mreži končnih elementov. Algoritem omogoča formacijo razpok v več končnih elementih v enem obtežnem koraku. Izračunali smo številne numerične primere, da bi ocenili delovanje izpeljanih formulacij štirikotnih končnih elementov z vgrajeno nezveznostjo in algoritma za sledenje razpoki kot tudi delovanje metod sledenja ravnotežnih poti.

La défaillance des matériaux et structures d'ingénierie peut être considéré comme le résultat d'une interaction complexe entre différents phénomènes physiques tels que la nucléation des cavités, les microfissures, les microvides et d'autres processus irréversibles. Ces micro-défauts se fondent éventuellement en une ou plusieurs macro-fissures conduisant à une diminution de la capacité portante et finalement à une défaillance de la structure considérée. La prévention des défaillances des structures et des composants structurels a toujours été un sujet important et une préoccupation majeure en ingénierie. Cette thèse vise à représenter une défaillance localisée dans des matériaux non linéaires sans dépendance de maillage. Un intérêt particulier sera le cas de l’adoucissement dynamique des déformations. Les phénomènes localisés sont pris en compte en utilisant l'approche des discontinuités embarquées fortes dans laquelle le champ de déplacement est amélioré pour capturer la discontinuité. Sur la base de cette approche, on a d'abord développé un modèle unidimensionnel de barres élasto-plastique capable de représenter une défaillance pour des matériaux ductiles avec un durcissement combiné dans une zone de processus de fracture FPZ et un adoucissement avec des discontinuités fortes encastrées. Les résultats comparant le modèle unidimensionnel proposé aux travaux (semi-) analytiques sont présentés. Il a été démontré que la stratégie proposée offre des solutions indépendantes de maillage. La déformation augmente dans le domaine de l’adoucissement avec une diminution simultanée de la contrainte. Le problème se décharge élastiquement à l'extérieur de la zone d’adoucissement de déformation. L'énergie dissipée se trouve à disparaître. Le modèle a également été comparé à un modèle de dommage unidimensionnel capable de représenter la fracture dynamique de la barre d'endommagementélasto-endommagée dans la zone de traitement de fracture - FPZ et de adoucissement avec de discontinuités fortes encastrées pour trouver un bon accord entre deux modèles. Un modèle d'éléments finis bidimensionnel a été développé, capable de décrire à la fois le mécanisme de dommage diffus accompagné d'un durcissement initial et d'une réponse d’adoucissement ultérieure de la structure. On a analysé les résultats de plusieurs simulations numériques effectuées sur des essais mécaniques classiques sous des charges progressivement croissantes telles que le test Brésilien ou le test de flexion en trois points. Le cadre de dynamique proposé est montré pour augmenter la robustesse de calcul. On a constaté que la direction finale des macro-fissures est assez bien prédite et que l'influence des effets d'inertie sur les solutions obtenues est assez modeste notamment en comparaison entre différentes mailles. Ce modèle bidimensionnel a été étendu plus loin dans le modèle bidimensionnel de discontinuité intégrée en viscodamage pour aider à explorer brièvement la mise en œuvre du schéma de point intermédiaire de second ordre qui peut fournir des résultats améliorés sous limitation de la régularisation visqueuse du modèle de dégâts localisés. / Failure of engineering materials and structures can be considered as a result of a complex interplay between different physical phenomena such as nucleation of cavities, microcracks,microvoids and other irreversible processes. These micro-defects eventually coalesce into one or more macro-cracks leading to a decrease in the load-bearing capability and finally, to failure of the structure under consideration. Prevention of failure of structures and structural parts has always been a critical subject and a major concern in engineering. This thesis aims to represent localized failure in non linear materials without mesh dependency. Of special interest will be the case of dynamic strain-softening. Localized phenomena are taken into account by using the embedded strong discontinuities approach in which the displacement field is enhanced to capture the discontinuity. Based upon this approach, a one-dimensional model for elasto-plastic bar capable of representing failure for ductile materials with combined hardening in FPZ-fracture process zone and softening with embedded strong discontinuities was first developed. Results comparing the proposed one-dimensional model to (semi-) analytical works are presented. It was shown that the proposed strategy provides mesh independent solutions. Strain increases in the softening domain with a simultaneous decrease of stress. The problem unloads elastically outside the strain softening region. The strain energy is found to vanish. The model was also compared with a one dimensional damage model capable of representing the dynamic fracture for elasto-damage bar with combined hardening in fracture process zone - FPZ and softening with strong embedded discontinuities to find a good agreement between two models. A two-dimensional finite element model was developed, capable of describing both the diffuse damage mechanism accompanied by initial strain hardening and subsequent softening response of the structure. The results of several numerical simulations, performed on classical mechanical tests under slowly increasing loads such as Brazilian test or three-point bending test were analyzed. The proposed dynamics framework is shown to increase computational robustness. It was found that the final direction of macro-cracks is predicted quite well and that influence of inertia effects on the obtained solutions is fairly modest especially in comparison among different meshes. This two-dimensional model was expanded further into the two dimensional continuum viscodamage-embedded discontinuity model to help briefly explore the implementation of the second order mid-point scheme that can provide improved results under limitation of viscous regularization of localized failure damage model.

Dans ce travail, différentes formulations d'éléments de poutres sont proposées pour l'analyse à rupture de structures de type poutres ou portiques en béton armé soumises à des chargements statiques monotones. La rupture localisée des matériaux est modélisée par la méthode à discontinuité forte, qui consiste à enrichir l'interpolation standard des déplacements (ou rotations) avec des fonctions discontinues associées à un paramètre cinématique supplémentaire interprété comme un saut de déplacement (ou rotation). Ces paramètres additionnels sont locaux et condensés au niveau élémentaire. Un élément fini écrit en efforts résultants et deux éléments finis multi-couches sont développés dans ce travail. L'élément de poutre d'Euler Bernouilli écrit en effort résultant présente une discontinuité en rotation. La réponse en flexion du matériau hors discontinuité est décrite par un modèle élastoplastique en effort résultant et la relation cohésive liant moment et saut de rotation sur la rotule plastique est, quant à elle, décrite par un modèle rigide plastique. La réponse axiale est suppposée élastique. Pour ce qui concerne l'approche multi-couche, chaque couche est considérée comme une barre constituée de béton ou d'acier. La partie régulière de la déformation de chaque couche est calculée en s'appuyant sur la cinématique associée à la théorie d'Euler Bernoulli ou de Timoshenko. Une déformation axiale additionnelle est considérée par l'introduction d'une discontinuité du déplacement axial, introduite indépendamment dans chaque couche. Le comportement du béton est pris en compte par un modèle élasto-endommageable alors que celui de l'acier est décrit par un modèle élastoplastique. La relation cohésive entre la traction sur la discontinuité et le saut de déplacement axial est décrit par un modèle rigide endommageable adoucissant pour les barres (couches) en béton et rigide plastique adoucissant pour les barres en acier. La réponse en cisaillement pour l'élement de Timoshenko est supposée élastique. Enfin, l'élément multi-couche de Timoshenko est enrichi en introduisant une partie visqueuse dans la réponse adoucissante. L'implantation numérique des différents éléments développés dans ce travail est présentée en détail. La résolution par une procédure d'«operator split» est décrite pour chaque type d'élément. Les différentes quantités nécessaires pour le calcul au niveau local des variables internes des modèles non linéaires ainsi que pour la construction du système global fournissant les valeurs des dégrés de liberté sont précisées. Les performances des éléments développés sont illustrées à travers des exemples numériques montrant que la formulation basée sur un élément multicouche d'Euler Bernouilli n'est pas robuste alors les simulations s'appuyant sur des éléments d'Euler Bernouilli en efforts résultants ou sur des éléments multicouche de Timoshenko fournissent des résultats très satisfaisants. / In this work, several beam finite element formulations are proposed for failure analysis of planar reinforced concrete beams and frames under monotonic static loading. The localized failure of material is modeled by the embedded strong discontinuity concept, which enhances standard interpolation of displacement (or rotation) with a discontinuous function, associated with an additional kinematic parameter representing jump in displacement (or rotation). The new parameters are local and are condensed on the element level. One stress resultant and two multi-layer beam finite elements are derived. The stress resultant Euler-Bernoulli beam element has embedded discontinuity in rotation. Bending response of the bulk of the element is described by elasto-plastic stress resultant material model. The cohesive relation between the moment and the rotational jump at the softening hinge is described by rigid-plastic model. Axial response is elastic. In the multi-layer beam finite elements, each layer is treated as a bar, made of either concrete or steel. Regular axial strain in a layer is computed according to Euler-Bernoulli or Timoshenko beam theory. Additional axial strain is produced by embedded discontinuity in axial displacement, introduced individually in each layer. Behavior of concrete bars is described by elastodamage model, while elasto-plasticity model is used for steel bars. The cohesive relation between the stress at the discontinuity and the axial displacement jump is described by rigid-damage softening model in concrete bars and by rigid-plastic softening model in steel bars. Shear response in the Timoshenko element is elastic. Finally, the multi-layer Timoshenko beam finite element is upgraded by including viscosity in the softening model. Computer code implementation is presented in detail for the derived elements. An operator split computational procedure is presented for each formulation. The expressions, required for the local computation of inelastic internal variables and for the global computation of the degrees of freedom, are provided. Performance of the derived elements is illustrated on a set of numerical examples, which show that the multi-layer Euler-Bernoulli beam finite element is not reliable, while the stress-resultant Euler-Bernoulli beam and the multi-layer Timoshenko beam finite elements deliver satisfying results. / V disertaciji predlagamo nekaj formulacij končnih elementov za porušno analizo armiranobetonskih nosilcev in okvirjev pod monotono statično obteˇzbo. Lokalizirano porušitev materiala modeliramo z metodo vgrajene nezveznosti, pri kateri standardno interpolacijo pomikov (ali zasukov) nadgradimo z nezvezno interpolacijsko funkcijo in z dodatnim kinematičnim parametrom, ki predstavlja velikost nezveznosti v pomikih (ali zasukih). Dodatni parametri so lokalnega značaja in jih kondenziramo na nivoju elementa. Izpeljemo en rezultantni in dva večslojna končna elementa za nosilec. Rezultantni element za Euler-Bernoullijev nosilec ima vgrajeno nezveznost v zasukih. Njegov upogibni odziv opišemo z elasto-plastičnim rezultantnim materialnim modelom. Kohezivni zakon, ki povezuje moment v plastičnem členku s skokom v zasuku, opišemo s togo-plastičnim modelom mehčanja. Osni odziv je elastičen. V večslojnih končnih elementih vsak sloj obravnavamo kot betonsko ali jekleno palico. Standardno osno deformacijo v palici izračunamo v skladu z Euler-Bernoullijevo ali s Timošenkovo teorijo nosilcev. Vgrajena nezveznost v osnem pomiku povzroči dodatno osno deformacijo v posamezni palici. Obnašanje betonskega sloja opišemo z modelom elasto-poškodovanosti, za sloj armature pa uporabimo elasto-plastični model. Kohezivni zakon, ki povezuje napetost v nezveznosti s skokom v osnem pomiku, opišemo z modelom mehčanja v poškodovanosti za beton in s plastičnim modelom mehčanja za jeklo.Striˇzni odziv Timošenkovega nosilca je elastičen. Večslojni končni element za Timošenkov nosilec nadgradimo z viskoznim modelom mehčanja. Za vsak končni element predstavimo računski algoritem ter vse potrebne izraze za lokalni izračun neelastičnih notranjih spremenljivk in za globalni izračun prostostnih stopenj. Delovanje končnih elementov preizkusimo na več numeričnih primerih. Ugotovimo, da večslojni končni element za Euler-Bernoullijev nosilec ni zanesljiv, medtem ko rezultantni končni element za Euler-Bernoullijev nosilec in večslojni končni element za Timošenkov nosilec dajeta zadovoljive rezultate.

Dans cette thèse, plusieurs approches de modélisation de composites renforcés par des fibres sont proposées. Le matériau étudié est le béton fibré, et dans ce modèle, on tient compte de l’influence de trois constituants : le béton, les fibres, et la liaison entre eux. Le comportement du béton est analysé avec un modèle d’endommagement, les fibres d'acier sont considérées comme élastiques linéaires, et le comportement sur l'interface est décrit avec une loi de glissement avec l’extraction complète de la fibre. Une approche multi-échelle pour coupler tous les constituants est proposée, dans laquelle le calcul à l'échelle macro est effectué en utilisant la procédure de solution operator-split. Cette approche partitionnée divise le calcul en deux phases, globale et locale, dans lesquelles différents mécanismes de rupture sont traités séparément, ce qui est conforme au comportement du composite observé expérimentalement. L'identification des paramètres est effectuée en minimisant l'erreur entre les valeurs calculées et mesurées. Les modèles proposés sont validés par des exemples numériques. / In this thesis, several approaches for modeling fiber-reinforced composites are proposed. The material under consideration is fiber-reinforced concrete, which is composed of a few constituents: concrete, short steel fibers, and the interface between them. The behavior of concrete is described by a damage model with localized failure, fibers are taken to be linear elastic, and the behavior of the interface is modeled with a bond-slip pull-out law. A multi-scale approach for coupling all the constituents is proposed, where the macro-scale computation is carried out using the operator-split solution procedure. This partitioned approach divides the computation in two phases, global and local, where different failure mechanisms are treated separately, which is in accordance with the experimentally observed composite behavior. An inverse model for fiber-reinforced concrete is presented, where the stochastic caracterization of the fibers is known from their distribution inside the domain. Parameter identification is performed by minimizing the error between the computed and measured values. The proposed models are validated through numerical examples.