Submitted by Automa??o e Estat?stica (sst@bczm.ufrn.br) on 2017-07-04T13:29:17Z No. of bitstreams: 1 AndersonAlbinoFerreira_DISSERT.pdf: 5315680 bytes, checksum: 999fe3e6c74df532dc49b7549ac68b2f (MD5) / Approved for entry into archive by Arlan Eloi Leite Silva (eloihistoriador@yahoo.com.br) on 2017-07-12T13:47:03Z (GMT) No. of bitstreams: 1 AndersonAlbinoFerreira_DISSERT.pdf: 5315680 bytes, checksum: 999fe3e6c74df532dc49b7549ac68b2f (MD5) / Made available in DSpace on 2017-07-12T13:47:03Z (GMT). No. of bitstreams: 1 AndersonAlbinoFerreira_DISSERT.pdf: 5315680 bytes, checksum: 999fe3e6c74df532dc49b7549ac68b2f (MD5) Previous issue date: 2017-03-03 / Coordena??o de Aperfei?oamento de Pessoal de N?vel Superior (CAPES) / A alvenaria ? um material comp?sito, constitu?do basicamente por unidades e juntas de argamassa (vertical e horizontal), podendo estar associada tamb?m a outros materiais, como o a?o e o graute. No Brasil, a partir da d?cada de 80, a alvenaria estrutural acabou se consolidando como um sistema construtivo altamente produtivo, racional e econ?mico devido a caracter?sticas como: simplifica??o das t?cnicas de execu??o, menor diversidade de materiais empregados, redu??o da m?o de obra e rapidez na execu??o. Em alvenaria estrutural, uma das possibilidades de execu??o que pode ser explorada ? o n?o preenchimento das juntas verticais, tamb?m chamada de juntas secas. A ado??o desta pr?tica gera certas vantagens como a diminui??o no tempo de execu??o da obra, a redu??o do consumo de materiais e a minimiza??o da fissura??o provocada pelas deforma??es intr?nsecas, como retra??o e deforma??es t?rmicas. No entanto, apesar de ser empregada a alguns anos no pa?s, as implica??es decorrentes de seu uso muitas vezes n?o t?m sido consideradas de forma apropriada nos projetos, isto se deve ao fato de existirem poucas pesquisas que tratam deste assunto. Al?m disso, as pesquisas existentes, por vezes, apresentam resultados que divergem entre si, principalmente no que se refere ? resist?ncia ? compress?o e ao cisalhamento. Neste trabalho foram efetuadas simula??es num?ricas de pequenas paredes de unidades cer?micas e de concreto, com e sem juntas verticais, ensaiadas com as prescri??es da NBR 15812-2 (ABNT, 2010), NBR 15961-2 (ABNT, 2011) e NBR 14321 (ABNT, 1999), com a finalidade de avaliar a influ?ncia do n?o preenchimento das juntas verticais na resist?ncia ? compress?o e ao cisalhamento da alvenaria. Para a realiza??o das an?lises num?ricas foi utilizado o M?todo dos Elementos Finitos a partir do software DIANA?. De acordo com os resultados num?ricos obtidos nos modelos em compress?o, e da compara??o entre estes e os resultados experimentais, foi poss?vel concluir que a aus?ncia das juntas verticais n?o influenciou na resist?ncia ? compress?o da alvenaria. Contudo, a partir dos resultados obtidos nos modelos em cisalhamento, conclui-se que n?o foi poss?vel avaliar quantitativamente a influ?ncia das juntas verticais na resist?ncia ao cisalhamento da alvenaria. / Masonry is a composite material, consisting basically of units and mortar joints (vertical and horizontal), and may also be associated with other materials, such as steel and grout. In Brazil, from the 1980s, structural masonry consolidated itself as a highly productive, rational and economical construction system due to characteristics as: simplification of execution techniques, less diversity of materials employed, reduction of labor and speed execution. In structural masonry, one of the execution possibilities that can be explored is the non-filling of vertical joints, also called dry joints. The adoption of this practice generates certain advantages as the reduction in the execution time of the construction, the reduction of the consumption of materials and the minimization of the cracking caused by the intrinsic deformations, such as retraction and thermal deformations. However, despite be employed to some years in country, the implications of its use often has been not properly considered in the projects, this is due to the fact that there is few research that deals with this subject. Moreover, the existing researches sometimes present results that diverge from each other, mainly with respect to the resistance to compression and shear. In this work, numerical simulations of small walls of ceramic and concrete units, with and without vertical joints, tested with the requirements of NBR 15812-2 (ABNT, 2010), NBR 15961-2 (ABNT, 2011) and NBR 14321 (ABNT, 1999). The purpose of this work was to evaluate the influence of non-filling of vertical joints on the compressive strength and shear strength of the masonry. For the numerical analyzes, the Finite Element Method was used from DIANA? software. According to the numerical results obtained in the models in compression, and the comparison between these and the experimental results, it was possible to conclude that the absence of the vertical joints did not influence the compressive strength of the masonry. However, from the results obtained in the shear models, it was concluded that it was not possible to quantitatively evaluate the influence of the vertical joints on the shear strength of the masonry.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / In recent times, much research effort has been undertaken aiming at the development of the so-called smart materials, understood as those that exhibit coupling between two or more physical domains in such a way that, when stimulated externally, they undergo controlled variations of some of their properties, such as viscosity, stiffness, volume or electrical conductivity. The degree of maturity of the technology of smart materials and structures is confirmed by numerous examples of applications found in industrial products. The present work is dedicated to the study of shape memory alloys, which are considered as being some of the most promising smart materials in terms of potentiality for industrial innovation. Those materials present the capacity of, once submitted to external loads, recovering their original form and dimensions through the application of thermal cycles or by removing the load. This behavior is due to two effects exhibited by those materials: shape memory and pseudoelasticity. The present dissertation reports the study carried-out by the author concerning some of the most relevant constitutive models intended for the description of the thermomechanical behavior of shape memory alloys, based on assumed transformation kinetics and on internal variables with constraints. The understanding of such models is considered to be essential for the development of modeling procedures of intelligent devices. After the description of the potentiality of applications of the shape memory alloys in the context of the smart material and structures technology and the assessment of the most relevant phenomenological aspects, specially the underlying phase transformations, the formulations of some constitutive models, chosen among those considered to be the most representative ones, are described, namely: models with assumed transformation kinetics (Tanaka, Liang-Rogers, Brinson, and Boyd-Lagoudas models) and models based on internal variables with constraints (modified Fremond and Savi and coauthors models). Numerical simulations are carried-out with the aim of evaluating the main features of the models considered and validating the numerical implementations by comparisons with results extracted from the literature. Afterwards, the analytical developments and numerical simulations regarding the incorporation of the Liang- Rogers model in a single-degree-of-freedom vibrating system are presented, enabling to evaluate the interest in using shape memory alloys for the purpose of vibration control. The study reported herein has been developed in the context of the National Institute of Science and Technology of Smart Structures in Engineering, leaded by the Structural Mechanics Laboratory Prof. J.E.T. Reis, of the School of Mechanical Engineering of the Federal University of Uberlândia, which is dedicated to the study of the foundations and applications of intelligent materials to various problems of engineering as well as to multidisciplinary problems. / Ultimamente tem-se investido grande esforço em pesquisas com vistas ao desenvolvimento dos chamados materiais inteligentes, entendidos como aqueles que exibem acoplamento de dois ou mais domínios físicos, de modo que, quando externamente estimulados, sofrem alterações controladas de algumas propriedades como a viscosidade, volume, rigidez, resistência elétrica e condutividade. O grau de amadurecimento da tecnologia de materiais e estruturas inteligentes é comprovado pela existência de numerosos exemplos de utilização em produtos industriais. O presente trabalho é dedicado ao estudo das ligas com memória de forma (shape memory alloys), que são considerados como um dos materiais inteligentes mais promissores no tocante às inovações industriais. Trata-se de materiais que possuem a capacidade de, uma vez submetidos a cargas externas, recuperar sua forma e dimensões originais quando sujeitos a ciclos térmicos apropriados ou quando o carregamento é retirado. Esses materiais apresentam duas propriedades especiais que os diferenciam dos outros materiais, a memória de forma, propriamente dita, e a pseudoelasticidade. O presente memorial reporta o estudo desenvolvido pelo autor acerca de alguns dos principais modelos constitutivos que foram desenvolvidos para a representação do comportamento termomecânico de materiais com memória de forma. A compreensão destes modelos é essencial para o desenvolvimento de procedimentos de modelagem de dispositivos inteligentes. Após a descrição das potencialidades de aplicação no contexto da tecnologia de estruturas inteligentes e da fenomenologia subjacente ao comportamento das ligas com memória de forma, notadamente as transformações de fase austenitamartensita, apresentam-se as formulações de alguns modelos constitutivos, selecionados dentre aqueles considerados os mais representativos, incluídos em duas categorias distintas, a saber: modelos com cinética de transformação assumida (modelos de Tanaka, de Liang-Rogers, de Brinson, e de Boyd-Lagoudas) e modelos baseados em variáveis internas (modelos de Fremond modificado e de Savi e colaboradores). Em seguida, são apresentados resultados de simulações numéricas realizadas com o objetivo de avaliar as principais características dos modelos estudados e validar as implementações realizadas mediante confrontação com resultados extraídos da literatura. Por fim, são apresentados os desenvolvimentos analíticos e simulações numéricas realizadas para incorporação do modelo de Liang-Rogers em um sistema vibratório de um grau de liberdade, que permitiu comprovar o potencial de utilização dos materiais com memória de forma para o controle de vibrações. O estudo realizado se insere nas atividades desenvolvidas no âmbito do Instituto Nacional de Ciência e Tecnologia de Estruturas Inteligentes em Engenharia, sediado pelo Laboratório de Mecânica de Estruturas Prof. José Eduardo Tannús Reis - LMEst, da Faculdade de Engenharia Mecânica da UFU, que se dedica ao estudo dos fundamentos e aplicações de materiais inteligentes em diversos tipos de problemas de engenharia e problemas multidisciplinares. / Mestre em Engenharia Mecânica

O trabalho trata da formulação e análise da resposta numérica de um modelo de danificação e plastificação localizadas em zonas previamente definidas ao longo de elementos estruturais de barra, estendendo-se os conceitos dos modelos clássicos de plasticidade concentrada. Inicialmente é feita uma breve revisão bibliográfica sobre modelos de dano e plasticidade, destacando-se alguns que contém propostas voltadas para a simplificação de suas formulações ou então da etapa de implementação numérica adotando-se, neste caso, a técnica de discretização em estratos dos elementos de barra. Em seguida, já no âmbito dos modelos ditos simplificados e estendendo-se a formulação de um modelo para estruturas de barras proposto na bibliografia, deduz-se a matriz de rigidez para o caso de barra em regime elástico com dano. Na dedução, considera-se que os processos de danificação, associados à flexão e restritos às extremidades do elemento de viga, são dependentes entre si e afetam diretamente os coeficientes de transmissão de esforços ao longo do elemento. Nesta etapa, através de dois exemplos numéricos, avalia-se a resposta do modelo quando implementado em um programa de elementos finitos. Apresenta-se, na seqüência, um estudo sobre a viabilidade da aplicação do modelo estudado às estruturas em concreto armado, incluindo-se casos em que a distribuição da armadura longitudinal é assimétrica. Como resultado desse estudo, sugere-se uma modificação da função critério de danificação, originalmente empregada, para melhor representar o processo de dissipação de energia relacionada à danificação. A partir dos confrontos entre respostas experimentais de vigas e pórtico em concreto armado e resultados numéricos, conclui-se pelo bom desempenho do modelo modificado. Finalmente, reúnem-se sugestões para a continuidade dos estudos. / This work is related to formulation and numerical analysis of a damage and plasticity model which considers such effects localised on zones previously defined along the structural beam elements, extending the concepts of the classics lumped plasticity models. First of all, a brief bibliography revision on damage and plasticity based models is given, enlightening the ones which propose some kind of simplification at the level of the formulation or only at the stage of the numerical implementation, for instance using a layered technique in a beam element discretization. Afterwards, on the field of the so called simplified models, a stiffness matrix of an elastic damage beam element is deduced, extending the formulation of a framed structures model proposed in the bibliography. The main characteristic of the new element is that the damage processes is localized on hinges at the extremities of the beam element, being the associated damage variables dependent on each other and reducing progressively the transmission efforts factor along the element. Two basic numerical examples show the performance of the model when implemented in a finite element code. Next, a study on the feasibility of the model to analyse reinforced concrete structures is presented. In order to enlarge the application field, cases where longitudinal reinforcement is asymmetrically distributed in the cross section are also considered. As a result of the study, a change in the damage criteria function originally used is suggested, aiming to improve the valuation of the dissipated energy related to the damage process. The response of the modified resulting model is valuated by a confront between experimental and numerical results of beams and frame reinforced concrete structures. The results show a very good performance of the modified model. Finally, some topics for further research on the theme explored in this work are suggested.

[pt] A presente dissertação tem por objeto a análise teórica - comparativa, implementação computacional e avaliação da capacidade de simulação dos modelos constitutivos para solos, com ênfase nos solos não saturados. Primeiramente, são analisados os modelos básicos, clássicos e avançados formulados para solos saturados ou secos, assim como os modelos desenvolvidos para solos não saturados, incluindo também alguns modelos para solos estruturados. A seguir, e para testar a sua capacidade de modelagem, são implementadas as matrizes constitutivas de alguns dos modelos analisados para a retroanálise e previsão de comportamento de três solos residuais na condição saturada e não saturada. Como complemento da pesquisa, um dos modelos é utilizado na simulação de provas de carga com placa em solo residual pelo MEF, para os casos de saturação e umidade natural. Finalmente, são apresentadas organizadamente as conclusões gerais e particulares obtidas, assim como sugestões para futuras pesquisas no tema do presente trabalho. / [en] The objective of this thesis is to present a critical review of the main constitutive soil models published in the literature, discussing and evaluating their abilities to simulate the mechanical behavior of geological materials under the theoretical and numerical points of view, with emphasis on unsaturated soils. Firstly, some basic, classical and advanced soil models are presented and discussed, as well as a few other recent constitutive relationships specially developed for unsaturated and structured materials. In the sequence, in order to assess the efficiency and overall performance of some selected models, the respective constitutive matrices were numerically implemented for prediction and back-analysis of the response of three residual soils, in saturated and unsaturated conditions. As a complement of this research, one of the soil models is used to simulate the results of some plate load tests on a residual soil deposit through the finite element method. Finally, the general conclusions of this work are presented and some suggestions are made to aid future research in the area of soil modeling.

[pt] O baixo custo, aliado a redução de peso e consequente aumento da eficiência, atingindo os mesmos níveis desejáveis de resistência mecânica, tem seduzido diversos setores da indústria à extensão do uso de polímeros termoplásticos em seus produtos finais. Dentro desses setores, o aumento em volume do emprego de polímeros não só tem crescido em aplicações de uso gerais, como também em aplicações estruturais. Com isso, o conhecimento detalhado do comportamento mecânico desses materiais faz-se necessário a fim de assegurar suas devidas propriedades em trabalho, sendo atrativo o uso de modelos constitutivos para a predição do comportamento final. Entretanto, os polímeros são materiais semicristalinos que possuem mecanismos de deformação e falha complexos. A maioria dos polímeros deformam-se homogeneamente até o escoamento, porém após esse, devido a estricção, o campo de deformações torna-se heterogêneo, fazendo com que o uso de técnicas experimentais clássicas, como a extensometria, seja inadequado. Dentre os métodos mais apropriados para a avaliação de polímeros em altas deformações, pode-se destacar a correlação de imagens digitais (CID). A técnica CID permite a avaliação da variação local da deformação e é capaz de prover uma descrição completa da deformação, inclusive na região do pescoço. Apesar do potencial de uso da CID em polímeros, seu emprego ainda é incipiente devido ao desenvolvimento recente da técnica. Dessa forma, o presente trabalho tem como objetivo a avaliação do comportamento de polímeros termoplásticos sob grandes deformações mediante o uso da técnica CID. Diante do alto custo dos sistemas CID comerciais, desenvolveu-se um arranjo e procedimento simples para a aquisição e análise das imagens digitais. A fim de predizer o comportamento mecânico e entender melhor os mecanismos de deformação envolvidos, diversos modelos constitutivos também foram testados. / [en] Low cost, coupled with weight reduction and consequent increase in efficiency, reaching the same desirables levels of mechanical strength, has seduced several industry sectors to expand the use of thermoplastic polymers in their final products. Within these sectors, the increase in volume of polymer has not only grown in general use, but also in structural applications. Thus, in order to ensure their proper properties in work, the detailed knowledge of the mechanical behavior of these materials is necessary and the use of constitutive models for the prediction of the final mechanical behavior becomes attractive. However, polymers are semi-crystalline materials that show complex deformation and failure mechanisms. Most of the polymers deform homogeneously until the yield point, but after, due to necking, the strain field becomes heterogeneous, making the use of classic experimental techniques, such as extensometry, inadequate. Among the most appropriate methods for the evaluation of polymers at large deformation, it is possible to highlight the digital image correlation (DIC). DIC technique allows the evaluation of local strain and is able to provide a complete description of the strain field, including the neck region. Despite the potential of DIC in polymers, its use is still incipient due to the recent development of the technique. Thus, the present work has the objective of evaluating the behavior of thermoplastic polymers under large deformation using DIC. Given the high cost of commercial DIC systems, a simple arrangement and procedure for the acquisition and analysis of the digital images was developed. In order to predict the mechanical behavior and to better understand the mechanisms of deformation involved, several constitutive models were also tested.

[pt] A necessidade cada vez mais freqüente de reforço em estruturas de concreto armado, exige um completo conhecimento do comportamento da estrutura reforçada devido a alterações de rigidez do conjunto, aumento da carga de ruptura, alterações na distribuição de fissuras, modificação de comportamento e posição da linha neutra, entre outros. Nos últimos anos diversos estudos experimentais têm sido conduzidos, fornecendo parâmetros cada vez mais confiáveis à elaboração de projetos e ao dimensionamento seguro em relação aos estados limites de utilização e de ruptura. No desenvolvimento deste trabalho, utiliza-se um programa computacional baseado no método dos elementos finitos,capaz de descrever o comportamento de elementos estruturais prismáticos em concreto armado reforçados à flexão. Descreve-se o modelo hipoelástico de Elwi e Murray -1979- para o concreto simples e um modelo multilinear para simulação dos reforços. Tais relações resultam de estudos analíticos e experimentais sobre o concreto armado e estão originalmente implementadas no programa FEPARCS -Elwi e Murray, 1980-, que neste trabalho é modificado e adaptado de acordo com a realidade da execução de reforços em estruturas em serviço. O programa FEPACS, capaz de realizar análises numéricas não-lineares, é acoplado a um programa de pré e pós-processamento gráfico especialmente desenvolvido para geração, gerenciamento do processo de cálculo e para análise de resultados obtidos. Os resultados obtidos utilizando o programa proposto são validados através de uma comparação com resultados experimentais obtidos na literatura. / [en] The frequent use of composite materials, in the strengthening of reinforced concrete structures requires complete knowledge of the structural behavior because of the changes that such strengthening will cause to the overall stiffness,the collapse load, the cracks distribution and the behavior and position of the neutral axis. Over the last few years experimental studies have been performed,bringing out more trustworthy parameters for ultimate strength design. In this work, a computational program was implemented based on the finite element method, which is able to describe the flexural strengthening of reinforced concrete beams. The model used in this program is that of Elwi and Murray -1979-, which assumes a so-called hypo elastic theory for concrete and a approach to simulate the reinforcement. These relationships were derived from reinforced concrete analytical and experimental studies and are originally implemented in the FEPARCS program -Elwi and Murray, 1980-, which has been modified in order to obtain a more realistic approach to in- service structural strengthening. The program developed, which is able to perform non-linear numerical analyses, is coupled to pre and pos-processing graphic programs specially developed for model generation, management of the calculation sequence and presentation of final results. The results produced by this program have been validated by comparison with experimental results available in literature.

[pt] A grande maioria das obras geotécnicas, tais como algumas fundações, aterros e escavações, apresentam uma configuração geométrica tipicamente tridimensional. No entanto, em função da complexidade da obtenção de soluções considerando os aspectos inerentes à condição de deformação e tensão tridimensionais, as análises destas obras têm sido comumente realizadas adotando-se as aproximações de deformação plana e/ou axissimétrica. Esta dissertação apresenta um modelo computacional baseado na formulação em deslocamento do método dos elementos finitos para a simulação de problemas mecânicos de equilíbrio estático de obras geotécnicas em condição tridimensional. São ressaltados os problemas de capacidade de carga de fundações superficiais e a simulação da construção de aterros. O solo é considerado como um material não linear elasto-plástico e os modelos não associados Mohr-Coulomb modificado e Lade-Kim são adotados para representar sua relação tensão-deformação resistência. As estratégias de solução não linear, tanto a nível global quanto em nível de ponto de Gauss, são apresentadas e discutidas. Os exemplos de capacidade de carga das fundações superficiais são comparados com os resultados da teoria do equilíbrio limite e da análise limite indicando bons resultados. O efeito da tensão intermediária na trajetória de tensão é apresentado e discutido nos exemplos de simulação da construção de aterros. / [en] The vast majority of geotechnical works, such as some foundations, embankments and excavations, show a typical three-dimensional geometric configuration. However, depending on the complexity of obtaining solutions considering the aspects inherent to the three-dimensional deformation and stress, the analysis of these works have been performed by adopting common approaches and plane strain or axisymmetric. This dissertation presents a computational model based on displacement formulation of finite element method for simulation of mechanical problems of static equilibrium condition of geotechnical works in three dimensions. It highlights the problems of load capacity of shallow foundations and the simulation of embankment construction. The soil is considered as material non-linear elastic-plastic models and non-associated Mohr- Coulomb and modified Lade-Kim are adopted to represent their relationship stress-strain-resistance. The nonlinear solution strategies, both overall and in the Gauss point level, are presented and discussed. Examples of load capacity of shallow foundations are compared with the results of the theory of limit equilibrium and limit analysis showing good results. The effect of tension in the intermediate stress path is presented and discussed in the simulation examples of the construction of embankments.

La presente tesis tiene como finalidad establecer criterios de influencia entre parámetros geotécnicos y profundidad de excavaciones en suelos gravosos, mediante la aplicación de un software de elementos finitos. Para ello, se tomó como referencia a 5 estudios geotécnicos desarrollados en Lima Metropolitana (Santa Anita, San Isidro, Miraflores y San Luis), en donde se emplearon diversos ensayos con el fin de obtener parámetros necesarios para su modelación. Por ejemplo, gracias a estos estudios, se determinaron rangos a los parámetros geotécnicos (Ángulo de fricción, Cohesión y Peso Específico) que serán considerados en la modelación de los casos de estudio. De acuerdo con estos estudios, el Ángulo de Fricción oscila entre 25° y 46°; la Cohesión entre 10 kPa y 84 kPa; mientras que el Peso Específico tiene un rango de 18 kN/m3 a 24 kN/m3. Las excavaciones que serán evaluadas durante la presente investigación serán de 8m, 12m y 16m de profundidad y contarán también con rangos para el Módulo de Elasticidad (E50) y el Coeficiente de carga y descarga (Eur) necesarios para analizar el comportamiento físico del suelo. Los resultados obtenidos luego de emplear el Modelo Constitutivo Hardening Soil, fue que conforme van incrementado los Ángulos de fricción del suelo y el Módulo de Elasticidad (E50), los desplazamientos van disminuyendo poco a poco (estamos hablando de una relación inversamente proporcional). Asimismo, existe una relación directamente proporcional entre la profundidad de excavación, el módulo de elasticidad y los desplazamientos del suelo considerando un sistema de reforzamiento anclado. / The purpose of this thesis is to establish criteria of influence between geotechnical parameters and depth of excavations in burdensome soils, through the application of finite element software. For this, 5 geotechnical studies developed in Metropolitan Lima (Santa Anita, San Isidro, Miraflores and San Luis) were taken as a reference, where various tests were used in order to obtain parameters necessary for their modeling. For example, thanks to these studies, ranges were determined for the geotechnical parameters (Angle of friction, Cohesion and Specific Weight) that will be considered in the modeling of the case studies. According to these studies, the Angle of Friction ranges from 25 ° to 46 °; Cohesion between 10 kPa and 84 kPa; while the Specific Weight has a range from 18 kN / m3 to 24 kN / m3. The excavations that will be evaluated during this investigation will be 8m, 12m and 16m deep and will also have ranges for the Modulus of Elasticity (E50) and the Coefficient of loading and unloading (Eur) necessary to analyze the physical behavior of the soil. The results obtained after using the Hardening Soil Constitutive Model were that as the friction Angles of the soil and the Modulus of Elasticity (E50) increase, the displacements gradually decrease (we are talking about an inversely proportional relationship). Likewise, there is a directly proportional relationship between excavation depth, modulus of elasticity and soil displacements considering an anchored reinforcement system. / Tesis

[pt] Em problemas geotécnicos podem ocorrer grandes deformações devido a chuvas prolongadas, sismos, deslizamentos de encostas, etc. Material point method (MPM) é um método de solução baseado no Método dos Elementos Finitos (MEF) que oferece vantagens para o cálculo estático e dinâmico que envolve deformações desse tipo. O objetivo desta dissertação é utilizar o MPM em problemas geotécnicos em condições estáticas e dinâmicas. Esta pesquisa mostra o procedimento de analises do MPM para a condição não acoplada (só solido sem presença de água) e depois acoplada. Para a revisão matemática de MPM se faz antes um resumo da teoria do MEF na metodologia de conservação de quantidade de movimento. Nestas duas formas de resolver os problemas geotécnicos foram expostos três exemplos simples. O primeiro é uma coluna de solo simulado sob os fundamentos da elasticidade, com o objetivo de verificar o deslocamento vertical pelo peso próprio. Isto foi resolvido mediante quatro diferentes métodos: analítica, MEF por resíduos ponderados, MEF por conservação de quantidade de movimento, e MPM. Todos eles consideram somente a fase solida. No segundo exemplo, tem-se solo na geometria de quadrado de lado 1 metro, onde busca-se obter as poropressões quando atingir a condição permanente enquanto os deslocamentos ocorrem ao longo do tempo; ou seja, a análise é acoplada e é resolvida pelo método MPM. Para uma aplicação mais realista, foi feita a análise (não acoplada) da barragem Palo Redondo, pertencente ao projeto Chavimochic, localizada na região de La Libertad, Perú. Nesta análise dinâmica considerou-se dois modelos constitutivos: Elástico e Mohr Coulomb, além de um sismo. / [en] In geotechnical problems can happen large strains because of prolonged rains, earthquake, slide slope, etc. Material point method is a solution method based on the finite element method (FEM) which offers advantages for static and dynamic calculation that involve that kind of strains. The objective in this dissertation is to use the MPM in geotechnical problems in statics and dynamics conditions. This research shows the analysis procedure of MPM for uncoupled condition (only solids, without water) and then coupled. Before the mathematical theory of MPM, a review of the theory of FEM in the conservation of quantidade de movimento is done. In this two methodology were raised three examples. The first one is a soil column that was modeled elastically, in which the main objective in to analyze the vertical displacement because of own weight. This was solved by four different methods: analytically, FEM weighted residual, FEM conservation of momentum, and MPM. All of them consider only the solid phase. The second example is a square of soil with side 1 meter, where the objective is to know the pore-pressure in the permanent condition and at the same time the vertical displacement were generated, it means that the analysis is coupled and were solved by MPM. In order to make a more realistic application, Palo Redondo dam is analyzed (uncoupled condition), which belongs to the Chavimochic project located in La Libertad, region of Perú. This dynamic analysis was done considering two constitutive models: Elastic and Mohr Coulomb, additionally seismic forces.

Este trabalho apresenta uma estratégia numérica desenvolvida usando o método dos elementos finitos para simular o processo de falha de compósitos cimentícios reforçados com fibras de aço. O material é descrito como um compósito composto por três fases: matriz cimentícia (pasta, argamassa ou concreto), fibras descontínuas discretas, e interface fibra-matriz. Um novo esquema de acoplamento para malhas de elementos finitos não-conformes foi desenvolvido para acoplar as malhas geradas independentes, da matriz cimentícia e de uma nuvem de fibras de aço, baseado na utilização de novos elementos finitos desenvolvidos, denominados elementos finitos de acoplamento. Utilizando este esquema de acoplamento, um procedimento não-rígido é proposto para a modelagem do complexo comportamento não linear da interface fibra-matriz, utilizando um modelo constitutivo de dano apropriado para descrever a relação entre a tensão de cisalhamento (tensão de aderência) e deslizamento relativo entre a matriz e cada fibra de aço individualmente. Este esquema também foi adotado para considerar a presença de barras de aço para as análises de estruturas de concreto armado. As fibras de aço são modeladas usando elementos finitos lineares com dois nós (elementos de treliça) com modelo material elastoplástico. As fibras são posicionadas usando uma distribuição randômica uniforme isotrópica, considerando o efeito parede. Uma abordagem contínua e outra descontínua são investigadas para a modelagem do comportamento frágil da matriz cimentícia. Para a primeira, é utilizado um modelo de dano isotrópico com duas variáveis de dano para descrever o comportamento de dano à tração e à compressão. A segunda emprega uma técnica de fragmentação de malha que utiliza elementos finitos degenerados, posicionados entre todos os elementos finitos que formam a matriz cimentícia. Para esta técnica é proposto um modelo constitutivo à tração, compatível com a abordagem descontínua forte contínua, para prever a propagação de fissura. Para acelerar o cálculo e aumentar a robustez dos modelos de dano contínuos para simular o processamento de falhas, um esquema de integração implícito-explícito é utilizado. Exemplos numéricos são apresentados ao longo do desenvolvimento desta tese. Inicialmente, exemplos numéricos com um único reforço são apresentados para validar a técnica desenvolvida e para investigar à influência das propriedades geométricas 7 das fibras e sua posição em relação à superfície de falha. Posteriormente, exemplos mais complexos são considerados envolvendo uma nuvem de fibras. Nestes casos, atenção especial é dada à influência da distribuição das fibras no comportamento do compósito relacionado ao processo de fissuração. Comparações com resultados experimentais demonstram que a aplicação da ferramenta numérica para modelar o comportamento de compósitos cimentícios reforçados com fibras de aço é muito promissora e pode ser utilizada como uma importante ferramenta para melhor entender os efeitos dos diferentes aspectos envolvidos no processo de falha deste material. / This work presents a numerical strategy developed using the Finite Element Method (FEM) to simulate the failure process of Steel Fiber Reinforced Cementitious Composites (SFRCCs). The material is described as a composite made up by three phases: a cementitious matrix (paste, mortar or concrete), discrete discontinuous fibers, and a fiber-matrix interface. A novel coupling scheme for non-matching finite element meshes has been developed to couple the independent generated meshes of the bulk cementitious matrix and a cloud of discrete discontinuous fibers based on the use of special finite elements developed, termed Coupling Finite Elements (CFEs). Using this approach, a nonrigid coupling procedure is proposed for modeling the complex nonlinear behavior of the fiber-matrix interface by adopting an appropriate constitutive damage model to describe the relation between the shear stress (adherence stress) and the relative sliding between the matrix and each fiber individually. This scheme has also been adopted to account for the presence of regular reinforcing bars in the analysis of reinforced concrete structural elements. The steel fibers are modeled using two-node finite elements (truss elements) with a one-dimensional elastoplastic constitutive model. They are positioned using an isotropic uniform random distribution, considering the wall effect of the mold. Continuous and discontinuous approaches are developed to model the brittle behavior of the bulk cementitious matrix. For the former, an isotropic damage model including two independent scalar damage variables for describing the composite behavior under tension and compression is considered. The discontinuous approach is based on a mesh fragmentation technique that employs degenerated solid finite elements in between all regular (bulk) elements. In this case, a tensile damage constitutive model, compatible with the Continuum Strong Discontinuity Approach (CSDA), is proposed to predict crack propagation. To increase the computability and robustness of the continuum damage models used to simulate the failure processes in both of the strategies, an implicit-explicit integration scheme is used. Numerical analyses are performed throughout the presentation of the work. Initially, numerical examples with a single reinforcement are presented to validate the technique and to investigate the influence of the fibers geometrical properties and its position relative to the crack surface. Then, more complex examples involving a cloud of steel fibers are considered. In these cases, special attention is given to the analysis of the influence of the fiber distribution on the composite behavior relative to the cracking process. Comparisons with experimental results demonstrate that the application of the numerical tool for modeling the behavior of SFRCCs is very promising and may constitute an important tool for better understanding the effects of the different aspects involved in the failure process of this material.