Submitted by Fabio Sobreira Campos da Costa (fabio.sobreira@ufpe.br) on 2016-07-28T12:46:53Z No. of bitstreams: 2 license_rdf: 1232 bytes, checksum: 66e71c371cc565284e70f40736c94386 (MD5) tese_diogotc_final.pdf: 7303783 bytes, checksum: f9959e8bb63b91d247de9903c2484d35 (MD5) / Made available in DSpace on 2016-07-28T12:46:53Z (GMT). No. of bitstreams: 2 license_rdf: 1232 bytes, checksum: 66e71c371cc565284e70f40736c94386 (MD5) tese_diogotc_final.pdf: 7303783 bytes, checksum: f9959e8bb63b91d247de9903c2484d35 (MD5) Previous issue date: 2016-01-29 / Esta tese apresenta uma metodologia de paralelização híbrida aplicada ao Método dos Elementos Discretos (DEM - Discrete Element Method) que combina MPI e OpenMP com o intuito de melhoria de desempenho computacional. A metodologia utiliza estratégias de decomposição de domínio visando a distribuição do cálculo de modelos de larga escala em um cluster. A técnica proposta também particiona a carga de trabalho de cada subdomínio entre threads. Este procedimento adicional visa obter maiores desempenhos computacionais através do ajuste de utilização de mecanismos de troca de mensagens entre processos e paralelização por threads. O objetivo principal da técnica é reduzir os elevados tempos de comunicação entre processos em ambientes computacionais de memória compartilhada tais como os processadores modernos. A divisão de trabalho por threads emprega a curva de preenchimento de espaço de Hilbert (HSFC) visando a melhoria de localidade dos dados e evitando custos computacionais (overheads) resultantes de ordenações constantes para o vetor de partículas. As simulações numéricas apresentadas permitem avaliar os métodos de decomposição de domínio, técnicas de particionamento, mecanismos de controle de acesso à memória, dentre outros. Algoritmos distintos de particionamento e diferentes estratégias de solução paralela são abordados para ambientes computacionais de memória distribuída, compartilhada ou para um modelo híbrido que envolve os dois ambientes. A metodologia desenvolvida e a ferramenta computacional utilizada nas implementações realizadas, o software DEMOOP, fornecem recursos que podem ser aplicados em diversos problemas de engenharia envolvendo modelos de partículas em larga escala. Nesta tese alguns destes problemas são abordados, em especial aqueles relacionados com fluxo de partículas em rampas, em funis de descarga e em cenários reais de deslizamento de terra. Os resultados mostram que as estratégias de execução híbridas atingem, em geral, melhores desempenhos computacionais que aqueles que se baseiam unicamente em troca de mensagens. A técnica de paralelização híbrida desenvolvida também obtém um bom controle de balanço de carga entre threads. Os estudos de caso apresentados apresentam boa escalabilidade e eficiências paralelas. O método proposto permite uma execução configurável de modelos numéricos do DEM e introduz uma estratégia combinada que melhora localidade dos dados e um balanceamento de carga iterativo. / This thesis introduces a methodology of hybrid parallelization applied to the Discrete Element Method (DEM) that combines MPI and OpenMP to improve computational performance. The methodology uses domain decomposition strategies to distribute the computation of large-scale models in a cluster. It also partitions the workload of each subdomain among threads. This additional procedure aims to reach higher computational performance by adjusting the usage of message passing artifacts and threads. The main objective is to reduce the expensive communications between processes in computer resources of shared memory such as modern processors. The work division by threads employs Hilbert Space Filling Curves (HSFC) in order to improve data-locality and to avoid the overhead caused by the dynamical sorting of the particles array. Presented numerical simulations allow to evaluate several domain decomposition schemes, partitioning methods, mechanisms of memory access control, among others. The work investigate distinct schemes of parallel solution for both distributed and shared memory environments. The method and the computational tool employed, the software DEMOOP, provide applied resources for several engineering problems involving large scale particle models. Some of these problems are presented on this thesis, such as the particle flows that happen on inclined ramps, discharge hoppers and real scenarios of landslides. The results shows that the hybrid executions reach better computational performance than those based on message passing only, including a good control of load balancing among threads. Case studies present good scalability and parallel efficiencies. The proposed approach allows a configurable execution of numerical models and introduces a combined scheme that improves data-locality and an iterative workload balancing.

El presente trabajo de investigación denominado Estudio del Manejo de Materiales en la Industria Minera mediante el Método de Elementos Discretos (Discrete Element Method - DEM), ha sido elaborado con la finalidad de aportar con la aplicación de esta metodología de cálculo en nuestro medio, aplicado a flujos granulares. Particularmente se ha considerado la aplicación a la industria minera, debido que el Perú es un país minero muy importante y la aplicación de esta metodología aportaría a dar soluciones, que permitan incrementar la producción en esta industria. En el primer capítulo, se presenta los antecedentes, lineamientos teóricos y trabajos de investigación previos respecto a la metodología DEM. Así mismo se presentan ciertas aplicaciones de interés e importancia. Se ha considerado también dar a conocer una síntesis del estado de la aplicación DEM en nuestro país. En el segundo capítulo, se define el material granular como conjunto de partículas discretas confinadas, así mismo se describen y clasifican los materiales granulares. Además de técnicas recomendadas para la caracterización del material, descripción de la fenomenología que producen los materiales granulares al manipularlos. En el tercer capítulo, se describe la metodología para simular flujos granulares, además de la secuencia de iteración de la metodología propuesta, considerando las limitaciones y restricciones. Así mismo se mencionan las herramientas computacionales que brindan soporte para trabajar con la metodología DEM. En el cuarto capítulo, se mencionan las consideraciones experimentales propuestas, mediante el uso de software de simulación DEM. En el presente trabajo de investigación, se exponen los factores de importancia a considerar en la etapa de simulación DEM, así mismo se bridará una técnica de análisis de sensibilidad para lograr calibrar el modelo de simulación. Este análisis de sensibilidad se basa en los parámetros que puedan brindar la mejor aproximación en el modelo de simulación DEM, en comparación con los valores obtenidos el experimento en laboratorio. El modelo planteado para la calibración es el caso de la prueba del ángulo de reposo, esta prueba vincula los valores obtenidos en pruebas experimentales (el caso de la investigación, valores obtenidos de la bibliografía especializada) con los valores a calibrar en el software de simulación. Los resultados obtenidos mediante el procedimiento elaborado en este trabajo y plasmados en el ejemplo de calibración, están dentro de los rangos de error, propios de esta metodología de simulación para flujos granulares. / Tesis

Diversos materiais de interesse tecnológico podem ser considerados como materiais heterogêneos, onde sua natureza aleatória deve ser considerada para representar corretamente o comportamento não-linear. A avaliação quantitativa do dano em materiais sujeitos a estados de tensão ou deformação tem grande importância devido ao caráter crítico desse fenômeno, que pode crescer de forma abrupta e resultar em uma falha catastrófica da estrutura. Em estudos anteriores, Carpinteri e seus colaboradores apresentaram diferentes aspectos relacionados à caracterização do dano em materiais heterogêneos. Três desses aspectos são discutidos neste trabalho: (i) a proposta do número de fragilidade como medida da fragilidade da estrutura em análise; (ii) a evolução da dimensão fractal em que o processo de dano é desenvolvido; (iii) e os índices globais obtidos pela análise de Emissão Acústica (EA). Neste trabalho, uma versão do método dos elementos discretos formado por barras é utilizada para explorar esses aspectos. Espécimes de material quase-frágil são simulados e, quando possível, os resultados numéricos são comparados com resultados experimentais. Além disso, a discussão dos resultados obtidos é realizada visando compreender o comportamento desse tipo de material, como por exemplo, o fato de que estruturas com diferentes dimensões, porém com o mesmo número de fragilidade, têm comportamentos similares. Ademais, o método numérico empregado é apresentado como uma ferramenta viável para complementar a informação obtida em ensaios experimentais na avaliação do processo de dano. Pelo sinal de EA obtido através do método numérico empregado, obtiveram-se parâmetros para a classificação do tipo de falha e para o cálculo do tensor momento, onde comparando os resultados obtidos pelo modelo numérico e pela EA se observam comportamentos coerentes. / Several materials with technological interest can be considered as heterogeneous materials, where their random nature must be accounted to correctly represent the nonlinear behavior. The quantitative evaluation of damage in materials subjected to stress or strain states have great importance due to the critical nature of this phenomenon, which abruptly can rise to catastrophic failure. In previous studies, Carpinteri and his coworkers have presented different aspects of the damage process characterization in heterogeneous materials. Three of these aspects are discussed in this work: (i) the brittleness number proposal to measure the brittleness level of the analyzed structure, (ii) the relationship of the fractal dimension in which the damage process is developed, (iii) and the global indexes obtained by the Acoustic Emission (AE) analysis. In the present work, a version of discrete element method formed by bars is used to explore these concepts. A set of quasi-brittle material specimen is simulated and, when possible, the numerical results are compared with experimental ones. Moreover, a discussion of the obtained results is carried out aiming to understand the behavior of this kind of material, for instance, the fact that structures with different dimensions, but with the same brittleness number, have similar behavior. In addition, the numerical method is presented as a viable tool to complement information from experimental test on the damage process. From the AE signal obtained by the numerical method, parameters to classify the type of crack and for calculating the moment tensor were obtained, where consistent behaviors are observed by comparing the results of the numerical model and the AE.

Quando o concreto é submetido a ações especiais, como cargas cíclicas ou ação de cargas de impacto, modificações em sua composição são necessárias, já que o concreto não apresenta desempenho satisfatório à tração, o que compromete o seu comportamento frente à ação de cargas dinâmicas. Uma alternativa para amenizar esta deficiência consiste em adicionar fibras ao concreto. Estas atuam como reforços à tração, transformando a matriz cimentícia, tipicamente frágil, em um material que apresenta boa resistência residual após a fissuração. Buscando colaborar na avaliação da eficiência de diferentes tipos de fibras, o presente trabalho analisa o comportamento de concretos com fibras de aço, submetidos ao impacto, avaliando a influência do fator de forma, do comprimento e do teor de fibras, assim como do tamanho do agregado. São ainda analisados os efeitos da incorporação de fibras na resistência à compressão, na resistência à tração por compressão diametral, no módulo de elasticidade e na tenacidade dos compósitos. Adicionalmente, é executada uma comparação entre os resultados experimentais e os derivados de um esquema de modelagem da situação de impacto através do uso do método de elementos discretos. Buscou-se, através da modelagem teórica, executar um mapeamento dos danos, provocados por cargas de impacto incrementais, ao longo do tempo, bem como determinar as energias necessárias para levar as placas até a ruptura. Os resultados indicam que a incorporação de fibras de aço não consegue retardar o aparecimento da primeira fissura, mas aumenta significativamente a tenacidade dos compósitos. Fibras mais longas e com maior fator de forma tendem a ser mais eficientes, desde que se supere um teor de fibras mínimo, que neste trabalho ficou em torno de 100.000 fibras/m3, para fibras longas (50-60 mm) e de 400.000 fibras/m3, para fibras curtas, cuja ancoragem é menos eficiente. O método de teste de impacto por queda de esfera se mostrou adequado e sensível, porém o esquema de modelagem numérica testado necessita ser refinado para permitir uma adequada simulação do comportamento de concretos com fibras. / When submitted to special loading patterns, derived from dynamical actions such as cyclic or impact loads, concrete elements need to be reinforced, in order to resist the tensile stresses. A feasible alternative, in such cases, is to incorporate fibers in the concrete matrix. The fibers act as a tensile reinforcement, transforming the fragile cement matrix into a composite with significant post-cracking residual strength. In order to contribute with the data collection about the efficiency of different fiber types, the present research work presents an analysis of the behavior of steel fiber reinforced concretes subjected to impact loads. The work investigates the influences of changes in the shape factor, length and amount of fibers. The effects of these combinations on other basic properties of the composites, such as compression strength, split cylinder tensile strength, Young’s modulus and tenacity is also measured. Additionally, a comparison is made between the experimental results from the impact tests and the estimates obtained from a theoretical model that uses the discrete element method (DEM). This theoretical approach aimed to determine if the model was able to simulate the damage evolution over time generated by the increasing impacts loads, as well as to determine the total energy necessary to crack and break the specimens. The results obtained pointed out that the introduction of steel fibers does not affect the energy for the first crack but increases significantly the tenacity of the composite. Longer fibers, with greater shape factors, tend to be more efficient, provided that the fiber content is sufficiently high. The minimum recommended fiber content, according to the data from this research, may be around 100.000 fibers/m3, for longer fibers (50-60 mm). Or around 400.000 fibers/m3, for shorter fibers, which are not so efficient in terms of anchorage. The impact test method developed was considered adequate, being sensitive to the phenomenon and providing reliable data. The DEM model, however, needs to be refined to be able to deal with fiber concrete composites.

Quando o concreto é submetido a carregamentos especiais, como cargas cíclicas ou ação de cargas de impacto, modificações em sua composição são necessárias. Uma vez que o material não apresenta desempenho satisfatório à tração, seu comportamento frente a este tipo de carregamento acaba seriamente comprometido. Uma alternativa para amenizar esta deficiência consiste em adicionar fibras de aço ao concreto. Ao adicionar estes elementos à matriz cimentícia, promove-se meios de transferência de tensões através das fissuras, aumentando a tenacidade do material, proporcionando mecanismos de absorção, relacionados com o desligamento e o arrancamento de fibras. Um número significativo de trabalhos experimentais envolvendo os mais diversos tipos de elementos estruturais reforçados com fibras de aço está disponível, havendo, no entanto, uma forte carência sob o ponto de vista de simulações numéricas. Buscando colaborar no desenvolvimento do material, o presente trabalho propõe a aplicação do Método dos Elementos Discretos para simulação do compósito submetido a carregamentos estáticos e dinâmicos. São realizadas alterações no algoritmo do método a fim de realizar a dispersão de fibras de aço na matriz de concreto. A análise das condições de contorno utilizadas em trabalho anterior revela a necessidade de aplicação de apoios elásticos sob pena de superestimar a rigidez do modelo. Os diagramas carga versus deslocamento que resultaram dos ensaios estáticos demonstram que o modelo criado é sensível à adição de fibras: maiores teores conduzem a modelos com maior tenacidade. O ensaio de impacto também se mostrou sensível e o padrão de fissuração encontrado nas simulações revelou uma boa aproximação com ensaios experimentais anteriores. / When submitted to special loading patterns, derived from dynamical actions such as cyclic or impact loads, some alterations in the concrete constitution need to be done, since the material don’t have an adequate behavior under tensile stress. A feasible alternative, in such cases, is to incorporate steel fibers in the concrete matrix. Adding these elements, stress transference mechanisms along the cracks are promoted, increasing the material tenacity. An expressive number of experimental works involving all the kinds of steel fiber reinforced concrete structural elements are available. However, few researches based on numerical methods are found in the literature. In order to contribute with the data collection and the development of the material, the present research work proposes the application of the Discrete Element Method to simulate the composite subjected to static and dynamic loads. Some modifications are made on the method algorithm trying to create the dispersion of fibers in the concrete matrix. The analysis of the boundary conditions used on previous work reveal the importance of using elastic support to don’t overestimate the stiffness of the model. The diagram load versus displacement that came from the static simulations shows that the model is sensible to the addition of fibers: higher proportions of fiber leads to models with higher tenacity. The impact tests also demonstrate sensibility and the crack pattern found on the simulations presented a very good approximation to previous experimental work.

Contact detection algorithms are needed in different areas of science and technology. From digital games and computer graphics to high-performance simulations and robotics. These algorithms require great computational effort and are prone to become the bottlenecks of its applications, even more when this computation must be done in real-time or large-scale systems. With the popularization of GPU cards use for both science and business, it is only natural that parallel implementations for this problem arise in the scientific community. In this work the main contact detection algorithms are analyzed and a numerical experiment is performed, with the goal of finding out which algorithm has better computational performance and memory use, or if they efficiency depends on different scenario features. For performing the experiment, a parallel Discrete ElementMethod application was developed using CUDA/C++ with the main algorithms presented in literature, besides these, the author proposes and implements the Sorting Contact Detection algorithm parallelization, that hadn’t been parallelized until now. The tests have found that the parallel Sorting Contact Detection algorithm is the most efficient in all studied scenarios, achieving a good performance and a superiormemory usage than its peers. / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / Algoritmos de detecção de contatos são necessários em diferentes áreas da ciência e tecnologia, de jogos digitais e computação gráfica à simulações de alto desempenho e robótica. Esses algoritmos exigem grande esforço computacional e tendem a ser os gargalos das aplicação as quais fazem parte, principalmente em sistemas de grande escala ou em tempo real. Com a popularização das placas GPUs para uso científico e comercial, é natural que surjam implementações paralelas para esse problema. Nesse trabalho os principais algoritmos de detecção de contatos para GPU são analisados e é realizado umexperimento numérico, com objetivo de descobrir qual algoritmo é o melhor emtermos de desempenho computacional e uso de memória, ou se a eficiência de cada umdepende das diferentes características do cenários. Para a realização do experimento, foi implementado em CUDA/C++ uma aplicação paralela doMétodo dos Elementos Discretos comos principais algoritmos apresentados na literatura, além desses o autor propõe e implementa a paralelização do algoritmo de detecção com ordenação e busca binária que ainda não havia sido paralelizado. Após os testes é constatado que o algoritmo com ordenação e busca é o mais eficiente para todos os cenários estudados, obtendo nos resultados um bom desempenho em tempo de execução e com uso de memória muito superior aos outros.

Diversos materiais de interesse tecnológico podem ser considerados como materiais heterogêneos, onde sua natureza aleatória deve ser considerada para representar corretamente o comportamento não-linear. A avaliação quantitativa do dano em materiais sujeitos a estados de tensão ou deformação tem grande importância devido ao caráter crítico desse fenômeno, que pode crescer de forma abrupta e resultar em uma falha catastrófica da estrutura. Em estudos anteriores, Carpinteri e seus colaboradores apresentaram diferentes aspectos relacionados à caracterização do dano em materiais heterogêneos. Três desses aspectos são discutidos neste trabalho: (i) a proposta do número de fragilidade como medida da fragilidade da estrutura em análise; (ii) a evolução da dimensão fractal em que o processo de dano é desenvolvido; (iii) e os índices globais obtidos pela análise de Emissão Acústica (EA). Neste trabalho, uma versão do método dos elementos discretos formado por barras é utilizada para explorar esses aspectos. Espécimes de material quase-frágil são simulados e, quando possível, os resultados numéricos são comparados com resultados experimentais. Além disso, a discussão dos resultados obtidos é realizada visando compreender o comportamento desse tipo de material, como por exemplo, o fato de que estruturas com diferentes dimensões, porém com o mesmo número de fragilidade, têm comportamentos similares. Ademais, o método numérico empregado é apresentado como uma ferramenta viável para complementar a informação obtida em ensaios experimentais na avaliação do processo de dano. Pelo sinal de EA obtido através do método numérico empregado, obtiveram-se parâmetros para a classificação do tipo de falha e para o cálculo do tensor momento, onde comparando os resultados obtidos pelo modelo numérico e pela EA se observam comportamentos coerentes. / Several materials with technological interest can be considered as heterogeneous materials, where their random nature must be accounted to correctly represent the nonlinear behavior. The quantitative evaluation of damage in materials subjected to stress or strain states have great importance due to the critical nature of this phenomenon, which abruptly can rise to catastrophic failure. In previous studies, Carpinteri and his coworkers have presented different aspects of the damage process characterization in heterogeneous materials. Three of these aspects are discussed in this work: (i) the brittleness number proposal to measure the brittleness level of the analyzed structure, (ii) the relationship of the fractal dimension in which the damage process is developed, (iii) and the global indexes obtained by the Acoustic Emission (AE) analysis. In the present work, a version of discrete element method formed by bars is used to explore these concepts. A set of quasi-brittle material specimen is simulated and, when possible, the numerical results are compared with experimental ones. Moreover, a discussion of the obtained results is carried out aiming to understand the behavior of this kind of material, for instance, the fact that structures with different dimensions, but with the same brittleness number, have similar behavior. In addition, the numerical method is presented as a viable tool to complement information from experimental test on the damage process. From the AE signal obtained by the numerical method, parameters to classify the type of crack and for calculating the moment tensor were obtained, where consistent behaviors are observed by comparing the results of the numerical model and the AE.

A ruptura de materiais heterogêneos quase frágeis, como o concreto, as cerâmicas e diferentes tipos de rochas, tem um comportamento mecânico complexo, foco de estudo de pesquisadores já há muito tempo. Uma ferramenta para simular o comportamento até ruptura destes tipos de materiais são os métodos de elementos discretos formados por barras (Discrete Element Method - DEM). Neste método as massas são concentradas em pontos nodais que estão ligados por meio de elementos unidimensionais caracterizados por relações constitutivas uniaxiais simples. Neste contexto, realizam-se novas implementações na versão do DEM com o intuito de estudar diversos aspectos dos materiais quase frágeis. Os principais focos da tese estão na desvinculação do nível de discretização do modelo do comprimento de correlação dos campos aleatórios que caracterizam as propriedades mecânicas. Através da interpretação dos resultados na simulação de emissão acústica é possível conhecer melhor o processo de dano neste tipo de material. Testes experimentais preliminares também são apresentados. Também são realizadas simulações em DEM utilizando carregamento biaxial, onde é explorado nessas simulações o comportamento dos modelos sob a ótica da técnica de emissão acústica. / The rupture of heterogeneous materials quasi-fragile, like concrete, ceramics and different types of rocks have a complex mechanical behavior, which has been the focus of study by researchers for a long time. The truss-like Discrete Element Method (DEM) was used to perform numerical simulations of the testing processes. The test results and the results of the numerical analyses, in terms of load vs. time diagram and AE data, as determined through b-value. In this context, new implementations in the version of DEM were realized with the objective to study the aspects of quasi-fragile materials. The main focuses of the thesis are in untying the level of discretization of the model of the correlation length from random fields which characterize the mechanical properties. And, through the interpretation of the results in the simulation of the acoustic emission, it is possible to better understand the process of damage in this type of material. Are also performed in DEM the biaxial loading, where is explored in this simulations the behavior of models from the point of view of the acoustic emission technique.

Quando o concreto é submetido a ações especiais, como cargas cíclicas ou ação de cargas de impacto, modificações em sua composição são necessárias, já que o concreto não apresenta desempenho satisfatório à tração, o que compromete o seu comportamento frente à ação de cargas dinâmicas. Uma alternativa para amenizar esta deficiência consiste em adicionar fibras ao concreto. Estas atuam como reforços à tração, transformando a matriz cimentícia, tipicamente frágil, em um material que apresenta boa resistência residual após a fissuração. Buscando colaborar na avaliação da eficiência de diferentes tipos de fibras, o presente trabalho analisa o comportamento de concretos com fibras de aço, submetidos ao impacto, avaliando a influência do fator de forma, do comprimento e do teor de fibras, assim como do tamanho do agregado. São ainda analisados os efeitos da incorporação de fibras na resistência à compressão, na resistência à tração por compressão diametral, no módulo de elasticidade e na tenacidade dos compósitos. Adicionalmente, é executada uma comparação entre os resultados experimentais e os derivados de um esquema de modelagem da situação de impacto através do uso do método de elementos discretos. Buscou-se, através da modelagem teórica, executar um mapeamento dos danos, provocados por cargas de impacto incrementais, ao longo do tempo, bem como determinar as energias necessárias para levar as placas até a ruptura. Os resultados indicam que a incorporação de fibras de aço não consegue retardar o aparecimento da primeira fissura, mas aumenta significativamente a tenacidade dos compósitos. Fibras mais longas e com maior fator de forma tendem a ser mais eficientes, desde que se supere um teor de fibras mínimo, que neste trabalho ficou em torno de 100.000 fibras/m3, para fibras longas (50-60 mm) e de 400.000 fibras/m3, para fibras curtas, cuja ancoragem é menos eficiente. O método de teste de impacto por queda de esfera se mostrou adequado e sensível, porém o esquema de modelagem numérica testado necessita ser refinado para permitir uma adequada simulação do comportamento de concretos com fibras. / When submitted to special loading patterns, derived from dynamical actions such as cyclic or impact loads, concrete elements need to be reinforced, in order to resist the tensile stresses. A feasible alternative, in such cases, is to incorporate fibers in the concrete matrix. The fibers act as a tensile reinforcement, transforming the fragile cement matrix into a composite with significant post-cracking residual strength. In order to contribute with the data collection about the efficiency of different fiber types, the present research work presents an analysis of the behavior of steel fiber reinforced concretes subjected to impact loads. The work investigates the influences of changes in the shape factor, length and amount of fibers. The effects of these combinations on other basic properties of the composites, such as compression strength, split cylinder tensile strength, Young’s modulus and tenacity is also measured. Additionally, a comparison is made between the experimental results from the impact tests and the estimates obtained from a theoretical model that uses the discrete element method (DEM). This theoretical approach aimed to determine if the model was able to simulate the damage evolution over time generated by the increasing impacts loads, as well as to determine the total energy necessary to crack and break the specimens. The results obtained pointed out that the introduction of steel fibers does not affect the energy for the first crack but increases significantly the tenacity of the composite. Longer fibers, with greater shape factors, tend to be more efficient, provided that the fiber content is sufficiently high. The minimum recommended fiber content, according to the data from this research, may be around 100.000 fibers/m3, for longer fibers (50-60 mm). Or around 400.000 fibers/m3, for shorter fibers, which are not so efficient in terms of anchorage. The impact test method developed was considered adequate, being sensitive to the phenomenon and providing reliable data. The DEM model, however, needs to be refined to be able to deal with fiber concrete composites.

Quando o concreto é submetido a carregamentos especiais, como cargas cíclicas ou ação de cargas de impacto, modificações em sua composição são necessárias. Uma vez que o material não apresenta desempenho satisfatório à tração, seu comportamento frente a este tipo de carregamento acaba seriamente comprometido. Uma alternativa para amenizar esta deficiência consiste em adicionar fibras de aço ao concreto. Ao adicionar estes elementos à matriz cimentícia, promove-se meios de transferência de tensões através das fissuras, aumentando a tenacidade do material, proporcionando mecanismos de absorção, relacionados com o desligamento e o arrancamento de fibras. Um número significativo de trabalhos experimentais envolvendo os mais diversos tipos de elementos estruturais reforçados com fibras de aço está disponível, havendo, no entanto, uma forte carência sob o ponto de vista de simulações numéricas. Buscando colaborar no desenvolvimento do material, o presente trabalho propõe a aplicação do Método dos Elementos Discretos para simulação do compósito submetido a carregamentos estáticos e dinâmicos. São realizadas alterações no algoritmo do método a fim de realizar a dispersão de fibras de aço na matriz de concreto. A análise das condições de contorno utilizadas em trabalho anterior revela a necessidade de aplicação de apoios elásticos sob pena de superestimar a rigidez do modelo. Os diagramas carga versus deslocamento que resultaram dos ensaios estáticos demonstram que o modelo criado é sensível à adição de fibras: maiores teores conduzem a modelos com maior tenacidade. O ensaio de impacto também se mostrou sensível e o padrão de fissuração encontrado nas simulações revelou uma boa aproximação com ensaios experimentais anteriores. / When submitted to special loading patterns, derived from dynamical actions such as cyclic or impact loads, some alterations in the concrete constitution need to be done, since the material don’t have an adequate behavior under tensile stress. A feasible alternative, in such cases, is to incorporate steel fibers in the concrete matrix. Adding these elements, stress transference mechanisms along the cracks are promoted, increasing the material tenacity. An expressive number of experimental works involving all the kinds of steel fiber reinforced concrete structural elements are available. However, few researches based on numerical methods are found in the literature. In order to contribute with the data collection and the development of the material, the present research work proposes the application of the Discrete Element Method to simulate the composite subjected to static and dynamic loads. Some modifications are made on the method algorithm trying to create the dispersion of fibers in the concrete matrix. The analysis of the boundary conditions used on previous work reveal the importance of using elastic support to don’t overestimate the stiffness of the model. The diagram load versus displacement that came from the static simulations shows that the model is sensible to the addition of fibers: higher proportions of fiber leads to models with higher tenacity. The impact tests also demonstrate sensibility and the crack pattern found on the simulations presented a very good approximation to previous experimental work.