A crescente necessidade por parte da indústria óptica e eletrônica por componentes que possuam características como elevada precisão de forma e acabamento em materiais frágeis, vem despertando um grande interesse nas pesquisas dos processos de usinagem de ultraprecisão. Neste sentido, a retificação e o torneamento de materiais frágeis com ferramentas de diamante têm se destacado como substitutos dos processos tradicionais de fabricação de precisão como a lapidação e polimento. Propõe-se o estudo da retificação de ultraprecisão de materiais frágeis através da realização de ensaios de corte em uma retificadora de ultraprecisão com rebolo de diamante de forma a estabelecer os parâmetros de corte compatível com a remoção dúctil de material. Foram usinadas amostras de silício monocristalino através de retificação tangencial de mergulho plana sob diferentes condições de usinagem para posteriormente avaliar a integridade superficial da peça. A amostra foi montada sob um aparato especial com uma inclinação conhecida a fim de se realizar um corte em cunha. Com isso, três situações distintas de remoção de material foram investigadas: totalmente dúctil, dúctil-frágil e totalmente frágil. O parâmetro de corte variado foi a profundidade de corte; o avanço e velocidade de corte foram mantidos constantes. / The requirements of components that demand high precision finishes and form in brittle materials has roused a huge interest in the ultraprecision machining process in the optical and electronic industries. The diamond grinding and turning of brittle materials have been used more and more as replacements to the tradicional lapping and polishing. The study of ultraprecision grinding of brittle materials is proposed. Cutting experiments on an ultraprecision grinding machine using a diamond wheel were carried out stablish cutting parameters compatible with ductile material removal. Silicon samples were machined through flat plunging tangencial grinding under different machining conditions and the sample surface integrity was assessed. The sample was mounted on a special apparatus with a known inclination so as to carry out a edge cutting. Thereby, three different material removal situations were investigated: whole ductile, ductile/brittle, whole brittle. The depth of cut was the parameter varied. Feedrate and cutting speed of the wheel were held constant.

Dynamic tensile characterization of geo-materials is critical to the modeling and design of protective structures that are often made of concrete. One of the most commonly used techniques currently associated with this type of testing is performed with a Kolsky bar and is known as the spall technique. The validity of the data from the spall technique is highly debated because the necessary boundary conditions for the experiment are not satisfied. By using a technique called pulse shaping, a new “controlled” spall technique was developed to satisfy all boundary conditions so that the analyzed data may be useful in modeling and design. The results from this project were promising and show the potential to revolutionize the way Kolsky bar testing is performed.

Pour l'analyse de durabilité et la conception économique (moins de matériel) de structures en matériaux ressemblant à du béton, la modélisation de la rupture est essentielle. Dans le cadre de la mécanique des milieux continus, une longueur interne est introduite dans les modèles non locaux pour remédier au problème lié à la sensibilité du maillage qui est une pathologie des modèles d'endommagement classiques , lorsqu'il s'agit de matériaux adoucissantes. Toutefois, l'évaluation de la longueur interne de hétérogénéités du matériau est toujours une question difficile, ce qui rend un problème obscur en utilisant des modèles non locaux. Nos travaux portent sur le développement d'un outil numérique basée sur la méthode des éléments en treillis (LEM) qui est un modèle discret pour la simulation et la prévision de la rupture des structures en béton. En utilisant le modèle de réseau à l'échelle mésoscopique, il n'est pas nécessaire d'introduire une longueur interne dans la loi de comportement, comme cela se fait dans les modèles non locaux, et nous pouvons affranchir ce paramètre en introduisant explicitement la mesotructure matérielle via une description géométrique. Basé sur l'outil numérique développé, nous avons étudié, en effectuant des tests numériques de traction uniaxiale, l'influence géométrique de la mesotructure du matériau ainsi que l'influence des conditions aux limites et de tailles d'échantillons (qui se traduisent par le gradient de sollicitation et le champ de rotation de matériel différents) sur le taille de la FPZ (fracture process zone) et sur la longueur caractéristique du matériau quasi-fragile homogénéisé. Ces études fournissent des recommandations/avertissements lors de l'extraction d'une longueur interne nécessaire pour les modèles nonlocaux à partir de la microstructure du matériau. Par ailleurs, les études contribuent un aperçu direct de l'origine mésoscopic de la taille FPZ et la longueur de la caractéristique du matériau, et par conséquent sur l'origine et la nature du comportement non linéaire du matériau. Ensuite, nous avons implanté le modèle du treillis dans la bibliothèque de SOFA développé par l'INRIA pour réaliser le couplage avec la méthode des éléments finis (MEF) afin de faire face avec des structures à grande échelle. Nous avons proposé un algorithme de couplage entre une approche macroscopique représentée par MEF et une approche mésoscopique infligés par LEM au sein d'une manière adaptative. Le modèle de couplage est d'abord utilisée pour valider l'approche multi-échelle proposée sur des simulations heuristiques. Et à long terme, il fournit un outil prometteur pour des simulations de grandes structures en matériaux quasi-fragiles de la vie réelle. / For durability analysis and economic design (less material) of structures made of concrete-like materials, modeling of cracking process and failure is essential. In the framework of continuum mechanics, an internal length is introduced in nonlocal models to remedy the problem related to mesh sensitivity which is a pathology of classical damage models, when dealing with softening materials. However, the assessment of the internal length from heterogeneities of the material is still a difficult question, which makes an obscure issue in using nonlocal models. Our work concerns developing of a numerical tool based on the Lattice Element Method (LEM) which is a discrete model for simulating and predicting fracture in concrete(-like) material. Using the lattice model at the mesoscopic scale, there is no need to introduce any internal length in the constitutive law, as done in nonlocal models, and we can enfranchise this parameter by explicitly introducing the material mesotructure via geometric description. Based on the developed numerical tool, we studied, by performing numerical uniaxial tensile tests, the geometric influence of the material mesotructure as well as the influence of the boundary conditions and specimen sizes (that result in different stress gradient and material rotation field) on the size of the FPZ (Fracture Process Zone) and on the characteristic length of the homogenized quasi-brittle material. These studies provide recommendations/warnings when extracting an internal length required for nonlocal damage models from the material microstructure. Moreover, the studies contribute a direct insight into the mesoscale origin of the FPZ size and the material characteristic length, and consequently into the origin and nature of the nonlinear behavior of the material. Then, we implemented the lattice model into SOFA library developed by INRIA for realizing the coupling with the Finite Element Method (FEM) in order to deal with large-scale structures. We proposed a strong coupling algorithm between a macroscopic approach represented by FEM and a mesoscopic approach dealt by LEM within an adaptive manner. The coupling model is first used to validate the multiscale approach proposed on heuristic simulations. And in the long term, it provides a promising tool for simulations of large-scale structures made of quasi-brittle materials of real life.

Este trabalho apresenta o estudo da usinabilidade do carbeto de tungstênio utilizando ferramenta de ponta única de diamante em máquina-ferramenta de ultraprecisão, em função de suas características de dureza e potencial uso para a fabricação de micromoldes. O carbeto de tungstênio foi submetido a testes de usinagem para a determinação dos parâmetros e condições de corte para a obtenção do regime dúctil. Com base nos resultados experimentais, concluiu-se que, para os avanços da ordem de 1 micrômetro/revolução, a profundidade de corte (AP) não influencia significativamente no resultado de rugosidade, e para avanços da ordem de 3 micrômetros, observou-se a formação de trincas na superfície usinada. Além disso, para profundidades de corte maiores que 2 micrômetros as ferramentas começaram a apresentar lascamento. Para avanços da ordem de 3 micrômetro/revolução a profundidade de corte influencia com grande significância no resultado de rugosidade. O torneamento do carbeto de tungstênio usando ferramenta de diamante mostrou-se uma opção viável à produção de superfícies em termos de qualidade óptica, porém, devido à alta dureza deste material (aproximadamente 4000HV) o torneamento mostrou ser um processo com condições limitadas para a produção em série de componentes em função da baixa taxa de remoção de material permitida. É possível que a retificação possa apresentar taxas de remoção maiores, mesmo assim garantindo a qualidade superficial atingida pelo torneamento, ou ainda, a retificação possa ser usada como um processo no desbaste do carbeto de tungstênio seguido do torneamento de ultraprecisão como a opção viável a produção em série de peças. Portanto, para obtenção de uma superfície de carbeto de tungstênio sem danos e com acabamentos da ordem de 10 nm, a profundidade e avanço não devem ser superiores a 2,00 \'mü\'micrômetros e 1,00 \'mü\'micrômetro/revolução, respectivamente, usando uma ferramenta de diamante nova com ângulo de saída 0 ou - 25 graus e uma máquina-ferramenta de alta precisão. / The single point diamond turning of the Tungsten Carbide is presented. The motivation for this study is the material´s high hardness and potential application for micromolds. A Tungsten Carbide sample was subjected to tests for determination of cutting parameters to achieve the ductile regime of material removal. Based on experimental results it was concluded that for the feedrate of the order of 1 \'mü\'m/revolution, the depth of cut did not affect significantly the surface roughness and for federates of the order of 3 \'mü\'m/revolution, the dept of cut influenced results of roughness greatly. Moreover chipping of the cutting edge occurs for depths of cut of 2 \'mü\'m. The diamond machining of tungsten carbide tool using diamond proved to be a viable option for the production of surfaces in terms of optical quality, but due to the high hardness of this material (approximately 4000HV) showed to be limited for the production of components due to the low material removal rate. It is possible that the precision griding may provide higher material removal rates along with the acceptable surface quality. Therefore, to obtain a damage free surface in tungsten carbide with surface finishe in the order of 10 nm, cutting depth and feedrate should be smaller than 2,00 \'mü\'m and 1,00 \'mü\'m/revolution, respectively, using a new diamond tool with rake angle of 0 or - 25 degrees and precision high stiffness machine tool.

Este trabalho apresenta o estudo da usinabilidade do carbeto de tungstênio utilizando ferramenta de ponta única de diamante em máquina-ferramenta de ultraprecisão, em função de suas características de dureza e potencial uso para a fabricação de micromoldes. O carbeto de tungstênio foi submetido a testes de usinagem para a determinação dos parâmetros e condições de corte para a obtenção do regime dúctil. Com base nos resultados experimentais, concluiu-se que, para os avanços da ordem de 1 micrômetro/revolução, a profundidade de corte (AP) não influencia significativamente no resultado de rugosidade, e para avanços da ordem de 3 micrômetros, observou-se a formação de trincas na superfície usinada. Além disso, para profundidades de corte maiores que 2 micrômetros as ferramentas começaram a apresentar lascamento. Para avanços da ordem de 3 micrômetro/revolução a profundidade de corte influencia com grande significância no resultado de rugosidade. O torneamento do carbeto de tungstênio usando ferramenta de diamante mostrou-se uma opção viável à produção de superfícies em termos de qualidade óptica, porém, devido à alta dureza deste material (aproximadamente 4000HV) o torneamento mostrou ser um processo com condições limitadas para a produção em série de componentes em função da baixa taxa de remoção de material permitida. É possível que a retificação possa apresentar taxas de remoção maiores, mesmo assim garantindo a qualidade superficial atingida pelo torneamento, ou ainda, a retificação possa ser usada como um processo no desbaste do carbeto de tungstênio seguido do torneamento de ultraprecisão como a opção viável a produção em série de peças. Portanto, para obtenção de uma superfície de carbeto de tungstênio sem danos e com acabamentos da ordem de 10 nm, a profundidade e avanço não devem ser superiores a 2,00 \'mü\'micrômetros e 1,00 \'mü\'micrômetro/revolução, respectivamente, usando uma ferramenta de diamante nova com ângulo de saída 0 ou - 25 graus e uma máquina-ferramenta de alta precisão. / The single point diamond turning of the Tungsten Carbide is presented. The motivation for this study is the material´s high hardness and potential application for micromolds. A Tungsten Carbide sample was subjected to tests for determination of cutting parameters to achieve the ductile regime of material removal. Based on experimental results it was concluded that for the feedrate of the order of 1 \'mü\'m/revolution, the depth of cut did not affect significantly the surface roughness and for federates of the order of 3 \'mü\'m/revolution, the dept of cut influenced results of roughness greatly. Moreover chipping of the cutting edge occurs for depths of cut of 2 \'mü\'m. The diamond machining of tungsten carbide tool using diamond proved to be a viable option for the production of surfaces in terms of optical quality, but due to the high hardness of this material (approximately 4000HV) showed to be limited for the production of components due to the low material removal rate. It is possible that the precision griding may provide higher material removal rates along with the acceptable surface quality. Therefore, to obtain a damage free surface in tungsten carbide with surface finishe in the order of 10 nm, cutting depth and feedrate should be smaller than 2,00 \'mü\'m and 1,00 \'mü\'m/revolution, respectively, using a new diamond tool with rake angle of 0 or - 25 degrees and precision high stiffness machine tool.

The accurate description of the nonlinear structural behaviour is an important issue in engineering science. Usually, classic nonlinear theories, such as fracture and damage mechanics, applied to finite element programmes are used to fulfil that purpose. Classic fracture mechanics describes the structural deterioration process by a few discrete cracks. This theory presents good precision for structures with simple geometries, few cracks and homogeneous materials. Classic damage mechanics measures the deterioration process by an internal variable called damage. This theory has been successful in the description of several deterioration mechanisms in continuum media. Despite their accuracy, classic fracture and damage mechanics present some drawbacks. Firstly, regarding civil engineering problems, both theories are not suitable for some practical applications. Secondly, fracture mechanics demands the consideration of initial cracks to begin the analysis. Lastly, classic damage models may present an issue known as localisation, what essentially leads to ill-posed problems and mesh-dependent numerical algorithms. Alternatively, a recent theory, called lumped damage mechanics, was proposed in order to achieve good accuracy in actual engineering problems. Such theory applies key concepts from fracture and damage mechanics in plastic hinges. In the light of the foregoing, the main goal of this thesis is the extension of the lumped damage mechanics framework to analyse different engineering problems. So far, lumped damage mechanics was characterised as a simplified methodology to analyse reinforced concrete frames under seismic and monotonic loadings; even with a few contributions on the analysis of local buckling in metallic structures. Therefore, this work extends the lumped damage mechanics framework to analyse reinforced concrete arches, unreinforced concrete structures, high cycle fatigue and continuum problems. The application examples show the accuracy of the proposed methodologies. / A descrição acurada do comportamento não linear de estruturas é um problema importante na engenharia. Usualmente, teorias não lineares clássicas, tais como as mecânicas da fratura e do dano, aplicadas a programas de elementos finitos são utilizadas a fim de cumprir aquele propósito. A mecânica da fratura clássica descreve o processo de deterioração estrutural por meio de um pequeno número de fissuras discretas. Esta teoria apresenta boa precisão para estruturas com geometrias simples, poucas fissuras e materiais homogêneos. A mecânica do dano clássica tem sido exitosa na descrição de diversos mecanismos de deterioração em meios contínuos. Apesar de precisas, as abordagens clássicas em fratura e dano apresentam alguns entraves. Primeiramente, tratando-se de problemas da engenharia civil, ambas teorias não são adequadas para aplicações práticas. Em segundo lugar, os modelos clássicos de fratura demandam a consideração de fissuras iniciais para iniciar a análise. Por fim, os modelos clássicos de dano podem apresentar um problema conhecido como localização, o que essencialmente implica em problemas mal colocados e algoritmos com dependência de malha. Alternativamente, uma teoria recente, chamada teoria do dano concentrado, foi proposta a fim de obter boa precisão em problemas reais de engenharia. Tal teoria aplica conceitos-chave das mecânicas da fratura e do dano em rótulas plásticas. À luz do exposto, o principal objetivo desta tese é a extensão da teoria do dano concentrado para analisar diferente problemas da engenharia. Até então, a teoria do dano concentrado era caracterizada como uma metodologia simplificada para analisar pórticos de concreto armado sob solicitações monotônicas ou sísmicas; mesmo com algumas poucas contribuições na análise de instabilidade local em estruturas metálicas. Desta forma, este trabalho estende a teoria do dano concentrado a fim de analisar arcos de concreto armado, estruturas de concreto simples, fadiga de alto ciclo e problemas contínuos. Os exemplos de aplicação mostram a acurácia das metodologias propostas.

[pt] O processo de fraturamento de materiais quase-frágeis requer atenção especial para a predição da direção de propagação de fraturas. A simulação do fraturamento com o método dos elementos finitos (MEF) tem como desvantagem a dependência da trajetória da fratura com respeito à malha adotada. Além disso, há certa dificuldade para os modelos numéricos representarem a fratura em modo misto por conta dos parametros envolvidos. O Método dos Elementos Finitos Estendido (XFEM) é uma técnica que combina o MEF com funções de enriquecimento para representar descontinuidades no campo de deslocamentos. Neste contexto, discutem-se nesta dissertação os critérios para a nucleação e propagação de fraturas e sua implementação no contexto do XFEM. As implementações foram feitas no framework GeMA, um software desenvolvido no Tecgraf / PUC-Rio. Os critérios de propagação de fraturas implementados baseiamse na abordagem das tensões e permitem controlar diferentes geometrias e tamanhos da área de avaliação na ponta da trinca. Um estudo paramétrico é apresentado para modelar uma viga de concreto sob carregamento não proporcional com fratura em modo misto. Foram consideradas diferentes questões como: discretização da malha, zona de avaliação, iniciação e propagação de fraturas e técnicas de controle de solução. Além disso, outros modelos com diferentes condições de contorno foram analisados para validar os critérios em situações complexas. As constatações paramétricas obtidas através do estudo da viga se monstraram válidas para os demais modelos avaliados. As implementações dos critérios de propagação de fraturas no XFEM, demonstraram excelentes concordâncias nas simulações das trajetórias de fraturamento, comparado com os dados experimentais. / [en] The fracture process of quasi-brittle materials requires special attention for the prediction of the direction of fracture propagation. The fracture simulation with the finite element method (FEM) has as its disadvantage the dependence of the fracture trajectory with respect to the mesh adopted. Besides, there is some difficulty for numerical models to represent the fracture in mixed mode because of the parameters involved. The Extended Finite Element Method (XFEM) is a technique which combines the FEM with enrichment functions to represent discontinuities in the displacement field. In this context, this dissertation discusses the criteria for nucleation and propagation of fractures and their implementation in the context of XFEM. The implementations were made in the GeMA framework, a software developed at Tecgraf / PUC-Rio. The implemented crack growth criteria is based on the stress approach and allows to control different geometries and sizes of the evaluation area in the crack tip. A parametric study is presented for modeling a concrete beam under nonproportional loading with mixed-mode fracture. Different situations were taken into account such as mesh refinement, geometry and size of the evaluation region, crack initiation and propagation and solution control techniques. Also, several models with different loading and boundary conditions were made to validate the criteria under complex situations. The parametric findings obtained through the study of the beam proved to be valid for the other models. The implementations of the fracture propagation criteria in the XFEM demonstrated excellent agreement in the simulations of the fracture trajectories compared to the experimental data.

The accurate description of the nonlinear structural behaviour is an important issue in engineering science. Usually, classic nonlinear theories, such as fracture and damage mechanics, applied to finite element programmes are used to fulfil that purpose. Classic fracture mechanics describes the structural deterioration process by a few discrete cracks. This theory presents good precision for structures with simple geometries, few cracks and homogeneous materials. Classic damage mechanics measures the deterioration process by an internal variable called damage. This theory has been successful in the description of several deterioration mechanisms in continuum media. Despite their accuracy, classic fracture and damage mechanics present some drawbacks. Firstly, regarding civil engineering problems, both theories are not suitable for some practical applications. Secondly, fracture mechanics demands the consideration of initial cracks to begin the analysis. Lastly, classic damage models may present an issue known as localisation, what essentially leads to ill-posed problems and mesh-dependent numerical algorithms. Alternatively, a recent theory, called lumped damage mechanics, was proposed in order to achieve good accuracy in actual engineering problems. Such theory applies key concepts from fracture and damage mechanics in plastic hinges. In the light of the foregoing, the main goal of this thesis is the extension of the lumped damage mechanics framework to analyse different engineering problems. So far, lumped damage mechanics was characterised as a simplified methodology to analyse reinforced concrete frames under seismic and monotonic loadings; even with a few contributions on the analysis of local buckling in metallic structures. Therefore, this work extends the lumped damage mechanics framework to analyse reinforced concrete arches, unreinforced concrete structures, high cycle fatigue and continuum problems. The application examples show the accuracy of the proposed methodologies. / A descrição acurada do comportamento não linear de estruturas é um problema importante na engenharia. Usualmente, teorias não lineares clássicas, tais como as mecânicas da fratura e do dano, aplicadas a programas de elementos finitos são utilizadas a fim de cumprir aquele propósito. A mecânica da fratura clássica descreve o processo de deterioração estrutural por meio de um pequeno número de fissuras discretas. Esta teoria apresenta boa precisão para estruturas com geometrias simples, poucas fissuras e materiais homogêneos. A mecânica do dano clássica tem sido exitosa na descrição de diversos mecanismos de deterioração em meios contínuos. Apesar de precisas, as abordagens clássicas em fratura e dano apresentam alguns entraves. Primeiramente, tratando-se de problemas da engenharia civil, ambas teorias não são adequadas para aplicações práticas. Em segundo lugar, os modelos clássicos de fratura demandam a consideração de fissuras iniciais para iniciar a análise. Por fim, os modelos clássicos de dano podem apresentar um problema conhecido como localização, o que essencialmente implica em problemas mal colocados e algoritmos com dependência de malha. Alternativamente, uma teoria recente, chamada teoria do dano concentrado, foi proposta a fim de obter boa precisão em problemas reais de engenharia. Tal teoria aplica conceitos-chave das mecânicas da fratura e do dano em rótulas plásticas. À luz do exposto, o principal objetivo desta tese é a extensão da teoria do dano concentrado para analisar diferente problemas da engenharia. Até então, a teoria do dano concentrado era caracterizada como uma metodologia simplificada para analisar pórticos de concreto armado sob solicitações monotônicas ou sísmicas; mesmo com algumas poucas contribuições na análise de instabilidade local em estruturas metálicas. Desta forma, este trabalho estende a teoria do dano concentrado a fim de analisar arcos de concreto armado, estruturas de concreto simples, fadiga de alto ciclo e problemas contínuos. Os exemplos de aplicação mostram a acurácia das metodologias propostas.

Les modèles de comportement mécanique, dits macroscopiques, sont développés à la fois pour leur légèreté, permettant le calcul d’éléments structuraux pouvant atteindre d’importantes dimensions, et pour leur finesse de représentation des phénomènes mécaniques observés par le matériau à des échelles plus fines. Le développement de tels modèles est ici effectué dans le cadre de la sollicitation sismique, donc des chargements cycliques alternés, appliquée à des ouvrages en matériaux quasi-fragiles, et plus précisément en béton. À ce jour, les modèles macroscopiques, effectivement applicables au calcul de structures, et représentatifs du comportement cyclique du béton sont encore rares. En conséquence de la complexité du problème de fissuration à homogénéiser, les modèles macroscopiques existants affichent une robustesse limitée ou ne permettent pas de reproduire l’ensemble des phénomènes mécaniques observés par le matériau. Une des barrières à la résolution de ces deux problématiques est le manque de données expérimentales relatives aux phénomènes à modéliser. En effet, en cause de la difficulté technique de les réaliser, peu de résultats d’essais cycliques alternés sur du béton sont disponibles dans la littérature.
 Une démarche d’expérimentation numérique a donc été élaborée sur la base d’un modèle fin du matériau, dit microscopique, capable de fournir les résultats nécessaires à la formulation et à l’identification d’un modèle macroscopique. Dans le modèle microscopique le matériau est considéré comme une structure à part entière, il a été développé afin de ne nécessiter qu’une quantité réduite de résultats d’essais, maîtrisés, pour être mis en oeuvre. Le modèle microscopique, un modèle particulaire lattice, a été développé sur la base d’un modèle lattice existant, enrichi pour être en mesure de simuler le comportement des matériaux quasi-fragiles sous chargements multi-axiaux et cycliques. Le modèle microscopique a alors été validé en tant qu’outil d’expérimentation numérique, et exploité afin d’établir les équations constitutives du modèle macroscopique fondées sur les théories de l’endommagement et de la plasticité. La régularité de la relation de comportement proposée, intégrant un effet unilatéral progressif, a notamment été garantie par l’utilisation d’un modèle d’élasticité non-linéaire. Le modèle macroscopique a finalement été calibré, entièrement, à l’aide du modèle microscopique, et mis à l’oeuvre dans la simulation de la réponse d’un voile en béton armé soumis à un chargement de cisaillement cyclique alterné. Cette simulation a permis de mettre en avant la robustesse numérique du modèle développé, ainsi que la contribution significative du comportement uni-axial cyclique alterné du béton à l’amortissement de telles structures. / Macroscopic mechanical behavior models are developed for their light computational costs, allowing the simulation of large structural elements, and the precise description of mechanical phenomena observed by the material at lower scales. Such constitutive models are here developed in the seismic solicitation framework, therefore implying cyclic alternate loadings at the material scale, and applied to civil engineering buildings, often made of concrete, or more generally of quasi-brittle materials. To date, macroscopic models applicable to structural computations, while representing the cyclic mechanical behavior are rare. In consequence of the intricacy of the fracture processes to homogenize, macroscopic constitutive models either do not present sufficient robustness or miss on important phenomena. One of the limitations to the resolution of this issue is the lack of experimental data. Indeed, because of the complexity of the experiments to set up, few results on alternate cyclic tests on concrete are available in the literature.A virtual testing approach has therefore been established on a microscopic model of the material, able to provide results needed to the formulation and the calibration of a macroscopic model. In the microscopic model, the material is considered as structure itself, it is developed so as to only necessitate a reduced amount of results from controlled experimental tests, in order to be used. The microscopic model, a lattice discrete element model, has been developed on the basis of an existing lattice model and extended to the simulation of multi-axial and cyclic loadings. The microscopic model has then been validated as a virtual testing tool and used to establish equations of the macroscopic model, on the basis of damage and plasticity theories. The consistency of the proposed constitutive relation, embedding progressive unilateral effect, has been achieved using non-linear elasticity. The macroscopic model has finally been calibrated, entirely with the microscopic model, and employed to simulate the response of a reinforced concrete wall under alternate shear loading. This simulation has served to showcase the numerical robustness of the proposed model, as well as the significant contribution of the uni-axial alternate behavior of concrete to the structural damping of such structures.

In this thesis, a program for fracture test in civil engineering has been optimized. The simulation is used for a validation of the fracture characteristics for blocks of construct material used for historic buildings reconstructure. This thesis illustrates the possibilities of an effective usage of the processor’s potential without the loss of the output quality. The individual parts of the simulation are analyzed and this thesis proposes for the critical sections some possible optimizations such as vectorization or parallel processing. The techniques used in this thesis may be used on similar computing problems and help shorten the required runtime. The prototype of the simulation was able to process the simulation in 7.7 hours. Optimized version is capable to process the same simulation in 2.1 hours on one core or 21 minutes on eight cores. The parallel optimized version is 21 times faster than the prototype.