[pt] Nessa dissertação, investiga-se através do método dos elementos finitos o processo de fratura em estruturas de materiais quase frágeis com base em modelos de representação explícita de fratura por meio de elementos de fratura coesiva. Para tanto, são apresentadas duas formulações distintas de elementos finitos com base na zona de fratura coesiva. A formulação do modelo do coesivo com base no potencial PPR e a formulação dos modelos coesivos Bi-linear e Linear exponencial. As modelagens numéricas e análises são realizadas no simulador Abaqus . Essas formulações são aplicadas à simulação da evolução de trincas em corpos de prova de concreto reforçado com fibras de aço em ensaios de tração, flexão e cisalhamento. Apresentando a aplicabilidade da metodologia a problemas reais de fratura em modo I, II e em modo misto. Através dessas análises foi demostrada a aplicabilidade da formulação de zona coesiva a representação de fratura em materiais quase frágeis. O potencial PPR e o modelo Linear exponencial foram os modelos mais adequados à simulação dos ensaios em concreto reforçado com fibra de aço. / [en] In this thesis, the fracture process in structures with quasi-brittle materials was investigated using the finite element method based on the cohesive zone model. Two different cohesive model formulations are presented: a potential formulation, the PPR model, and a formulation for the bi-linear and linearexponential models. These formulations were applied in the simulation of fracture propagation in concrete specimens reinforced with steel-fibers. The specimens were subjected to Mode I, II and mixed-mode loading through the direct tensile, shear and bending tests. The analyses were simulated in the Abaqus . The good applicability of the cohesive zone model for fracture propagation analysis in quasi-brittle materials were demonstrated with the performed simulations. The PPR potential model and the linear-exponential model presented better results in tests with concrete reinforced with steel-fiber specimens.

A aplicação da análise inversa é objeto de estudo nos mais diversos campos da ciência e da engenharia. A motivação para o tratamento de tais problemas se deve ao fato de que em muitas aplicações dessas áreas do conhecimento, há a necessidade da identificação de parâmetros físicos e geométricos a partir de dados do domínio medidos experimentalmente, já que tais parâmetros de entrada são desconhecidos para uma análise direta do problema. Neste tipo de análise o problema principal está na quantidade e qualidade dos dados experimentais obtidos, que são na maioria das vezes insuficientes para garantir que o sistema gerado apresente solução única, gerando com isto um problema essencialmente mal-posto. Assim, de forma geral o emprego confiável da análise inversa implica na utilização de ferramentas eficientes de aquisição de dados experimentais aliada a técnicas numéricas de regularização que buscam a minimização da função objetiva gerada por algum método numérico, como por exemplo, o método dos elementos de contorno (MEC). Sendo assim, o presente trabalho tem por objetivo apresentar uma formulação para resolução de problemas inversos de valor de contorno e estimativa dos parâmetros do modelo coesivo, através de medidas de campos de deslocamentos, em sólidos bidimensionais com domínio formado por multi-regiões via (MEC), utilizando-se de técnicas tais como: mínimos quadrados, regularização de Tikhonov, decomposição em valor singular (SVD) e filtro de Tikhonov, para regularização do problema. Além disto, são apresentados alguns exemplos de aplicação da formulação desenvolvida. / The application of inverse analysis is nowadays subject of research of many fields in engineering and science. The motivation to consider this problem is due to the fact that in many applications of these knowledge areas, physical and geometric parameters, that are not directly known, can be identified using domain data measured experimentally. In this kind of analysis the main problem is the quantity and the quality of the obtained experimental data, which, many times, are not sufficient to guarantee that the generated system of equations has only one solution, leading therefore to an ill-posed problem. Thus, in general the reliable use of the inverse analysis requires using efficient tools for experimental data acquisition together with the numerical techniques of regularization needed to impose the minimization of the objective function written by using any numerical method, as the boundary element method (BEM) for instance. In this context, the objective of the present work is to derive a formulation for resolution of boundary-value inverse problems and to estimate the material parameters of the cohesive model, by using measured displacements fields, in multi-region two-dimensional solid by BEM, using techniques such as: least squares, Tikhonov regularization, singular value decomposition (SVD) and Tikhonov filtering, for the problem regularization. Some application examples are presented using the developed formulation to illustrate its performance.

Submitted by Cássia Santos (cassia.bcufg@gmail.com) on 2017-01-30T09:49:46Z No. of bitstreams: 2 Dissertação - Wanessa Mesquita Godoi Quaresma - 2016.pdf: 2901974 bytes, checksum: fcac435f9dfd087f8402d916a36a5f05 (MD5) license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) / Approved for entry into archive by Luciana Ferreira (lucgeral@gmail.com) on 2017-01-30T10:04:13Z (GMT) No. of bitstreams: 2 Dissertação - Wanessa Mesquita Godoi Quaresma - 2016.pdf: 2901974 bytes, checksum: fcac435f9dfd087f8402d916a36a5f05 (MD5) license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) / Made available in DSpace on 2017-01-30T10:04:13Z (GMT). No. of bitstreams: 2 Dissertação - Wanessa Mesquita Godoi Quaresma - 2016.pdf: 2901974 bytes, checksum: fcac435f9dfd087f8402d916a36a5f05 (MD5) license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) Previous issue date: 2016-07-06 / Conselho Nacional de Pesquisa e Desenvolvimento Científico e Tecnológico - CNPq / This work deals with the study of the concrete mechanical behavior using a two-dimensional numerical modeling in mesoscopic scale. The material is considered to be composed of three phases consisting of the interface zone matrix and inclusions, where each constituent is modeled properly. In the representative volume element (RVE) inclusions of as various shapes and randomly arranged are considered. The interface zone is modeled by finite elements where a model of fracture and contact recently proposed is incorporated. On the other hand, the transition zone is modeled by triangular finite elements where the Mohr-Coulomb model with lower strength characteristics compared to the mortar, is used. Inclusion is modeled as a linear elastic material and the matrix is considered as elastoplastic materials governed by the Mohr-Coulomb model. Our main goal is to show that a formulation based on computational homogenization is an alternative to complex macroscopic constitutive models for the mechanical behavior of brittle materials using a procedure based on the Finite Element Method and a multiscale theory. Examples changing the form of aggregate, their volume fraction and distribution in RVE, as well as various strategies for modeling the transition zone are shown to illustrate the performance of the proposed model. The results evidence that the proposed modeling leads to are promising results for employment in a multiscale modeling. Also, this work shows the importance of parametric identification of fracture and contact model in the microstructural analysis of concrete. / Este trabalho trata do estudo do comportamento mecânico do concreto utilizando uma proposta de modelagem numérica bidimensional em escala mesoscópica. O material é considerado como composto por três fases consistindo de zona de interface, matriz e inclusões, onde cada constituinte é modelado adequadamente. O Elemento de Volume Representativo (EVR) consiste de inclusões idealizadas como de várias formas e aleatoriamente dispostas no EVR. Uma das abordagens permite que a zona de interface seja modelada por meio de elementos finitos coesivos de contato, onde um modelo de fratura e contato recentemente proposto é incorporado ao elemento. Por outro lado, a zona de transição pode ser modelada por elementos finitos triangulares onde o modelo de Mohr- Coulomb com características de menor resistência em relação à argamassa, é utilizado. A inclusão é modelada como sendo um material elástico linear, já a matriz é considerada como material elastoplástico obedecendo ao modelo de Mohr-Coulomb. O principal objetivo é mostrar que uma formulação baseada na homogeneização computacional é uma alternativa aos modelos constitutivos macroscópicos complexos para o comportamento mecânico de matérias frágeis usando um procedimento baseado no Método dos Elementos Finitos no âmbito de uma teoria multiescala. Uma série de exemplos envolvendo a mudança de forma de agregados, sua fração volumétrica e sua distribuição no EVR, assim como diferentes estratégias de modelagem da zona de transição, é apresentada de modo a ilustrar a performance da modelagem proposta. Os resultados encontrados evidenciam que as modelagens propostas apresentam resultados promissores para o emprego numa modelagem multiescala. Também, este trabalho mostra a importância da identificação paramétrica do modelo de fratura e contato na análise microestrutural do concreto.

A aplicação da análise inversa é objeto de estudo nos mais diversos campos da ciência e da engenharia. A motivação para o tratamento de tais problemas se deve ao fato de que em muitas aplicações dessas áreas do conhecimento, há a necessidade da identificação de parâmetros físicos e geométricos a partir de dados do domínio medidos experimentalmente, já que tais parâmetros de entrada são desconhecidos para uma análise direta do problema. Neste tipo de análise o problema principal está na quantidade e qualidade dos dados experimentais obtidos, que são na maioria das vezes insuficientes para garantir que o sistema gerado apresente solução única, gerando com isto um problema essencialmente mal-posto. Assim, de forma geral o emprego confiável da análise inversa implica na utilização de ferramentas eficientes de aquisição de dados experimentais aliada a técnicas numéricas de regularização que buscam a minimização da função objetiva gerada por algum método numérico, como por exemplo, o método dos elementos de contorno (MEC). Sendo assim, o presente trabalho tem por objetivo apresentar uma formulação para resolução de problemas inversos de valor de contorno e estimativa dos parâmetros do modelo coesivo, através de medidas de campos de deslocamentos, em sólidos bidimensionais com domínio formado por multi-regiões via (MEC), utilizando-se de técnicas tais como: mínimos quadrados, regularização de Tikhonov, decomposição em valor singular (SVD) e filtro de Tikhonov, para regularização do problema. Além disto, são apresentados alguns exemplos de aplicação da formulação desenvolvida. / The application of inverse analysis is nowadays subject of research of many fields in engineering and science. The motivation to consider this problem is due to the fact that in many applications of these knowledge areas, physical and geometric parameters, that are not directly known, can be identified using domain data measured experimentally. In this kind of analysis the main problem is the quantity and the quality of the obtained experimental data, which, many times, are not sufficient to guarantee that the generated system of equations has only one solution, leading therefore to an ill-posed problem. Thus, in general the reliable use of the inverse analysis requires using efficient tools for experimental data acquisition together with the numerical techniques of regularization needed to impose the minimization of the objective function written by using any numerical method, as the boundary element method (BEM) for instance. In this context, the objective of the present work is to derive a formulation for resolution of boundary-value inverse problems and to estimate the material parameters of the cohesive model, by using measured displacements fields, in multi-region two-dimensional solid by BEM, using techniques such as: least squares, Tikhonov regularization, singular value decomposition (SVD) and Tikhonov filtering, for the problem regularization. Some application examples are presented using the developed formulation to illustrate its performance.

Submitted by Cláudia Bueno (claudiamoura18@gmail.com) on 2016-01-07T16:28:03Z No. of bitstreams: 2 Dissertação - Dannilo Carvalho Borges - 2015.pdf: 3073251 bytes, checksum: 5efdd805f96baaf801696402a7ed039b (MD5) license_rdf: 23148 bytes, checksum: 9da0b6dfac957114c6a7714714b86306 (MD5) / Approved for entry into archive by Luciana Ferreira (lucgeral@gmail.com) on 2016-01-08T11:35:34Z (GMT) No. of bitstreams: 2 Dissertação - Dannilo Carvalho Borges - 2015.pdf: 3073251 bytes, checksum: 5efdd805f96baaf801696402a7ed039b (MD5) license_rdf: 23148 bytes, checksum: 9da0b6dfac957114c6a7714714b86306 (MD5) / Made available in DSpace on 2016-01-08T11:35:34Z (GMT). No. of bitstreams: 2 Dissertação - Dannilo Carvalho Borges - 2015.pdf: 3073251 bytes, checksum: 5efdd805f96baaf801696402a7ed039b (MD5) license_rdf: 23148 bytes, checksum: 9da0b6dfac957114c6a7714714b86306 (MD5) Previous issue date: 2015-08-19 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPES / This work deals with a proposed numerical modeling of mechanical behavior in brittle heterogeneous materials, such as concrete. For this propose, a two-dimensional meso-scale model is presented. The material is considered as a three-phase material consisting of interface zone, matrix and inclusions – each constituent modeled by an appropriate constitutive model. The Representative Volume Element (RVE) consists of inclusions idealized as circular shapes randomly placed into the RVE. The interface zone is modeled by means of cohesive contact finite elements the inclusions are considered as linear elastic media and matrix region is considered as elastoplastic material. The main goal here is to show that simple constitutive modeling of the microstructure can be employed with a computational homogenization-based approach as an alternative to complex macroscopic constitutive models for the mechanical behavior of the heterogeneous materials using a finite element procedure within a purely kinematical multi-scale framework. A set of numerical examples, involving the microcracking and plasticity processes, is provided in order to illustrate the qualitative performance of the proposed modeling. / Este trabalho apresenta uma proposta para a modelagem numérica do comportamento mecânico da microestrutura de materiais heterogêneos e frágeis, tal como o concreto. Para este fim, apresenta-se um modelo 2D de escala mesoscópica. O material é considerado como composto por três fases consistindo de zona de interface, matriz e inclusões, onde cada constituinte é modelado adequadamente. O Elemento de Volume Representativo (EVR) consiste de inclusões idealizadas de forma circular aleatoriamente dispostas no EVR. A zona de interface é modelada por meio de elementos finitos coesivos e de contato e as inclusões são modeladas como meio elástico linear. Já a matriz é considerada como material elastoplástico. O principal objetivo é mostrar que modelos constitutivos simples empregados na microestrutura em conjunto com uma formulação baseada numa homogeneização computacional são uma alternativa aos modelos constitutivos macroscópicos complexos para o comportamento mecânico de materiais heterogêneos usando um procedimento baseado no Método dos Elementos Finitos no âmbito de uma teoria Multiescala. Uma série de exemplos envolvendo processos de microfissuração e plasticidade é apresentada de modo a ilustrar qualitativamente a performance da modelagem proposta.

[pt] Esta pesquisa aborda o processo de fraturamento hidráulico ou processo de propagação de fraturas em rocha através da injeção de um fluido sob pressão, o que gera fissuras no material que se propagam de acordo com a quantidade de fluido injetado. Esta técnica leva a um incremento da transmissividade hidráulica da rocha e, como consequência, ocorre um incremento da produção de óleo. Diversos trabalhos analíticos e numéricos têm sido propostos para estudar o mecanismo de fratura, geralmente baseados em meios contínuos ou através da utilização de elementos de interface em uma trajetória de propagação conhecida. Neste trabalho, a propagação de uma fratura é simulada utilizando o modelo potencial PPR[72] através da sua implementação extrínseca. Assim, os elementos coesivos de interface são inseridos na malha de elementos finitos de forma adapativa para capturar o processo de fraturamento. A pressão do fluido é simulada utilizando o modelo de lattice-Boltzmann[84]. Através de um processo interativo, os contornos da fratura, computados utilizando o método dos elementos finitos, são transferidos para o modelo de lattice-Boltzmann como uma condição de contorno. Assim, a força que o fluido exerce nestes contornos, gerada pela injeção do fluido, pode ser calculada. Estas forças são utilizadas no modelo de elementos finitos como uma força externa aplicada nas faces da fratura. A nova posição das faces da fratura é calculada e transferida novamente para o modelo de lattice-Boltzmann como condição de contorno. Este processo interativo fluido-estrutura permite modelar o processo de fraturamento hidráulico em trajetórias de propagação irregulares. / [en] This research addresses hydraulic fracturing or hydro-fracking, i.e. fracture propagation process in rocks through the injection of a fluid under pressure, which generates cracks in the rock that propagate according to the amount of fluid injected. This technique leads to an increase of the hydraulic transmissivity of the rock mass and, consequently, improves oil production. Several analytical and numerical models have been proposed to study this fracture mechanism, generally based in continuum mechanics or using interface elements through a known propagation path. In this work, the crack propagation is simulated using the PPR potential-based cohesive zone model[72] by means of an extrinsic implementation. Thus, interface cohesive elements are adaptively inserted in the mesh to capture the softening fracture process. The fluid pressure is simulated using the lattice Boltzmann model[84] through an iterative procedure. The boundaries of the crack, computed using the finite element method, are transferred to the lattice Bolztmann model as boundary conditions, where the fluid pressure (or fluid forces) applied on these boundaries, caused by the fluid injected, can be calculated. These forces are then used in the finite element model as external forces applied on the faces of the crack. The new position of the crack faces is then calculated and transferred to the lattice-Boltzmann model to update the boundary conditions. This feedback-loop for fluid-structure interaction allows modeling of hydraulic fracturing processes for irregular path propagation.

This work proposes the computational modeling of two-dimensional media mechanical behavior with a continuous approach, related to the Finite Element Method (FEM) associated with Cohesive Fracture Mechanics (CFM) models, and a discrete approach, using the Discrete Element Method (DEM). The FEM consists in a numerical tool widely used to achieve approximate solutions of Continuum Mechanics problems, involving physical and geometrical nonlinearities phenomena with quasi-static or dynamic behaviors, having already established practical applications in many areas of science and industry. On the other hand, DEM has more recent development and has been increasingly used to model discrete nature problems involving contact, impact and fragmentation phenomena and flow of particulate systems. Focused on analysis of problems with interactions between these natures, a FEMDEM coupling code is developed to solve the problem by a sub-region scheme where the FEM is used on modeling of nucleation process and crack propagation in continuous media, and DEM is employed to model granular media, whether due its nature or its conception, in a transient behavior. The possibility of opening and propagation of cracks is considered by using CFM models, intrinsically incorporated into the FEM formulation through interfaces inserted into the inner edges of the finite element mesh. Illustrative examples are presented and discussed in order to validate the proposed formulation and implementation. / FUNDEPES - Fundação Universitária de Desenvolvimento de extensão e Pesquisa / PRH-ANP - Programa de Recursos Humanos da Agência Nacional do Petróleo / Este trabalho propõe a modelagem computacional do comportamento mecânico bidimensional de meios com abordagens contínua, relacionada ao Método dos Elementos Finitos (MEF) associado a modelos da Mecânica da Fratura Coesiva (MFC) e discreta, através do Método dos Elementos Discretos (MED). O MEF consiste em uma ferramenta numérica bastante utilizada na determinação de soluções aproximadas para problemas da Mecânica do Contínuo, envolvendo fenômenos com não linearidades físicas e geométricas associadas e com comportamento quase-estático ou dinâmico, possuindo aplicações práticas já consagradas em diversas áreas do campo científico e industrial. Por outro lado, o MED tem desenvolvimento mais recente e vem sendo cada vez mais utilizado no tratamento de problemas de natureza discreta envolvendo fenômenos de contato, impacto, fragmentação e fluxo de sistemas particulados. Com foco na análise de problemas que envolvem interações entre tais naturezas, implementa-se uma estratégia de acoplamento MEF-MED para solução do problema em subregiões, onde o MEF é utilizado na modelagem de processos de nucleação e propagação de fraturas em meios contínuos e o MED é empregado na modelagem de meios granulares por natureza, ou assim concebidos, em comportamento transiente. A possibilidade de abertura e propagação de fraturas é considerada através da utilização de modelos da MFC, incorporados intrinsecamente na formulação do MEF através de interfaces inseridas nas arestas internas da malha de elementos finitos. Exemplos ilustrativos são apresentados e discutidos visando-se validar a formulação e a implementação propostas.

Submitted by Cássia Santos (cassia.bcufg@gmail.com) on 2017-08-30T13:26:19Z No. of bitstreams: 2 Dissertação - Paula Viana Queiroz Andrade - 2017.pdf: 2686282 bytes, checksum: d828cc8979cf594c108b844e7b806230 (MD5) license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) / Approved for entry into archive by Luciana Ferreira (lucgeral@gmail.com) on 2017-09-15T13:36:35Z (GMT) No. of bitstreams: 2 Dissertação - Paula Viana Queiroz Andrade - 2017.pdf: 2686282 bytes, checksum: d828cc8979cf594c108b844e7b806230 (MD5) license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) / Made available in DSpace on 2017-09-15T13:36:35Z (GMT). No. of bitstreams: 2 Dissertação - Paula Viana Queiroz Andrade - 2017.pdf: 2686282 bytes, checksum: d828cc8979cf594c108b844e7b806230 (MD5) license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) Previous issue date: 2017-07-28 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPES / This work deals with analysis of the microstructures composed of metal matrix composites (MMC) and its application in Structural Engineering. The main goal of this essay is considered the potentialities and limitations when using the modeling activity suggested. For this, it is intended to consider the dissipative processes of plastification, occurring in the matrix, and phase debonding, that occurs in the matrix/inclusion interface region, where the influence of such processes on the macroscopic response of the material will be investigated. Initially, the applicability of this material in the various Engineering areas is described. For the numerical simulations of the MMC structural behavior, the von Mises model is used in the modeling of the matrix and a cohesive fracture model is used in the simulation of the phase debonding process. Inclusion is considered elastic with great rigidity. However, the dissipative processes that occur in the microstructure and that affect the macro mechanical behavior of the material are analyzed through a microscale modeling using a homogenization process based on the concept of Representative Volume Element (RVE) and the Finite Element Method (FEM). The strain and deformation are volumetric means of the respective microscopic fields on the EVR. The general objective is to verify through numerical analysis the potentialities and limitations of the use of the proposed modeling for future applications of metallic matrix composites in engineering, which shows a good representativeness of the mechanical behavior of the CMM. / Este trabalho trata de uma contribuição sobre a análise da microestrutura de materiais compósitos com matriz metálica (CMM) e sua aplicação na Engenharia Estrutural. O objetivo geral é verificar as potencialidades e limitações do emprego da modelagem proposta. Para isso, consideram-se os processos dissipativos de plastificação, que ocorre na matriz, e de descolamento, que ocorre na região de interface matriz/inclusão, onde a influência de tais processos na resposta macroscópica do material será investigada. Inicialmente, a aplicabilidade deste material nas diversas áreas de Engenharia é descrita. Para as simulações numéricas do comportamento estrutural de CMM, o modelo de von Mises é utilizado na modelagem da matriz assim como um modelo de fratura coesiva na simulação do processo de descolamento na interface. A inclusão é considerada elástica com grande rigidez. Contudo, os processos dissipativos que ocorrem na microestrutura e que repercutem no comportamento macromecânico do material são analisados através de uma modelagem na microescala utilizando um processo de homogeneização baseada no conceito de Elemento de Volume Representativo (EVR) e no Método dos Elementos Finitos (MEF). A tensão e deformação são médias volumétricas dos respectivos campos microscópicos sobre o EVR. Por fim, as análises numéricas apresentadas com o emprego da modelagem proposta evidenciam sua boa representatividade do comportamento mecânico do CMM contribuindo para futuras aplicações de compósitos de matriz metálica na engenharia.

Este trabalho trata da análise da propagação de fissuras, independente do tempo, em domínios bidimensionais utilizando uma formulação alternativa do método dos elementos de contorno (MEC). O MEC vem sendo utilizado com sucesso na análise de diversos problemas de engenharia. Considerando problemas de mecânica da fratura, o MEC é especialmente eficiente devido à redução da dimensionalidade de sua malha, o que permite a simulação do crescimento das fissuras sem as dificuldades do processo de remalhamento. Nesta pesquisa, desenvolvem-se formulações não lineares do MEC para a análise da propagação de fissuras em materiais quase frágeis. Nesses materiais, a zona de processo à frente da ponta da fissura introduz efeitos fisicamente não lineares no comportamento estrutural. Assim, para a simulação da presença da zona de processo, modelos não lineares são necessários. Classicamente a formulação dual do MEC é utilizada para modelar propagação de fissuras na quais equações singulares e hipersingulares são escritas para elementos definidos ao longo das faces das fissuras. O presente trabalho propõe uma segunda formulação utilizando um campo de tensões iniciais para a representação da zona coesiva. Nesta formulação, o termo de domínio da equação integral clássica do MEC é degenerado, de forma a atuar somente ao longo do caminho de crescimento das fissuras, sendo que esse procedimento dá origem a uma nova variável denominada dipolo, responsável por garantir o atendimento das condições de contorno. Em conjunto com essa nova formulação, se propõe o uso do operador tangente (OT), que é deduzido no trabalho, a fim de acelerar o processo de convergência da solução. Os resultados obtidos, por meio da formulação alternativa, são comparados tanto com dados experimentais quanto com o MEC dual, ambos disponíveis na literatura. As respostas encontradas foram satisfatórias no sentido de conseguir reproduzir o comportamento real da estrutura explorando as vantagens computacionais proporcionadas pelo OT. / This work presents a time-independent crack propagation analysis, in two-dimensional domains, using an alternative boundary element method (BEM) formulation. BEM has been used successfully to analyze several engineering problems. Considering fracture mechanics problems, BEM is especially efficient due to its mesh reduction aspects, which allows the simulation of crack growth without remeshing difficulties. In this research, nonlinear BEM formulations are develop in order to analyze crack propagation in quasi-brittle materials. Considering these materials, the process zone ahead of the crack tip leads to nonlinear effects related to structural behavior. Thus, nonlinear models are required for simulating the presence of the process zone. Classically, the dual BEM is used for modeling the crack propagation, in which singular and hyper-singular equations are written for elements defined along the crack faces. This work proposes an alternative formulation using the initial stress field to represent the cohesive zone. In this formulation, the classic domain integral term is degenerated in order to be non-null only at the crack growth path. This procedure leads the creation of new variable called dipole, which is responsible for ensuring the compliance of the boundary conditions. In addition to this new formulation, it is proposed the use of the tangent operator (TO), which is derived in this work, in order to accelerate the convergence. The results obtained using the new formulation, are compared with experimental data and dual BEM results available in the literature. The responses were found satisfactory in reproducing the behavior of real structures exploiting the computational advantages provided by the TO.

A identificação de parâmetros físicos e geométricos utilizando medições experimentais é um procedimento comum no tratamento de muitos problemas da ciência e engenharia. Neste contexto, a análise inversa apresenta-se como uma importante ferramenta no tratamento desses problemas. Este trabalho apresenta formulações que acoplam o uso do método dos elementos de contorno (MEC) e a técnica de correlação de imagens digitais (CID) (para obtenção dos campos de deslocamentos) na resolução de alguns problemas inversos de interesse para engenharia de estruturas. Implementou-se um código computacional baseado no MEC, em técnicas de regularização e em algoritmo genético, para análise inversa em problemas de identificação das propriedades dos materiais, recuperação das condições de contorno e identificação de parâmetros do modelo coesivo de fraturamento. Exemplos com dados oriundos de uma prévia análise direta (simulando dados experimentais) são apresentados para demonstrar a eficiência das formulações propostas. Ensaios de vigas em flexão em três pontos com entalhe foram realizados com aquisição de imagens para obtenção dos campos de deslocamentos da região de propagação da fissura, via CID. Estes campos foram utilizados para alimentar o modelo inverso proposto. A técnica de CID originou dados em quantidade e precisão suficientes para os fins almejados neste trabalho. A utilização do MEC mostrou-se simples e de grande eficiência para a solução dos problemas inversos tratados. / The identification of physical and geometrical parameters utilizing experimental measurements is a common procedure in treating many problems of science and engineering. In this context, the inverse analysis is an important tool in treating these problems. This work presents formulations that associate the use of boundary element method (BEM) and the technique of digital image correlation (DIC) (for obtaining the displacement fields) in solving some inverse problems of interest to Structure Engineering. A computer code based on the BEM, on regularization techniques and genetic algorithm has been implemented for the treatment of problems such as Identification of material properties, recovery of boundary conditions and identification of cohesive model parameters. Examples with data from a previous direct analysis (simulating experimental data) are presented to demonstrate the effectiveness of the proposed formulations. Three point flexural tests with notch were performed and images were acquired to obtain the displacement fields on one lateral surface of the samples, via DIC. These displacement fields were used to feed the inverse model proposed. The DIC technique resulted in quantitative and accurate data for the purposes of this study. The use of the BEM proved to be simple and efficient in solving the inverse problems treated.