[pt] Os conglomerados são um tipo de rocha sedimentar, compostos pela mistura de blocos de rocha duros imersos em uma matriz fina branda. Os blocos no conglomerado fazem com que o estudo de suas propriedades mecânicas, através de ensaios convencionais de laboratório, seja de difícil execução. Por outro lado, os ensaios in-situ resultam mais representativos para definir as propriedades mecânicas deste tipo de materiais, mas em geral sua execução é muito demorada e representa um alto custo, o que justifica sua utilização somente em projetos de grande porte. Neste trabalho foi realizada a caracterização geotécnica de um conglomerado localizado no sul da Costa Rica, com o principal objetivo de definir, separadamente, as propriedades mecânicas dos blocos e da matriz. Os ensaios de caracterização e resistência utilizados nesta pesquisa foram realizados no laboratório de geotecnia do Instituto Costarriquense de Eletricidade e no laboratório de Interação Rocha-Fluido na PUC-Rio. Em uma segunda fase foi realizada a modelagem numérica do conglomerado através do método dos elementos finitos utilizando o programa PLAXIS 2D v2014. Da interpretação dos resultados dos ensaios numéricos foram obtidos os parâmetros de resistência e deformabilidade do conglomerado para diferentes escalas. Finalmente, os parâmetros mecânicos resultantes da modelagem numérica foram comparados com os obtidos na interpretação de ensaios de campo realizados na mesma litologia, especificamente ensaios de placa e cisalhamento direto multi-estagio, corroborando desta forma a validez da estimativa realizada. / [en] Conglomerates are a type of sedimentary rock constituted by hard rock blocks embedded in a fine soft matrix. Due to the blocks present in the conglomerate, the study of mechanical properties by conventional laboratory tests is complicated. On the other hand, in-situ tests are more representative to define the mechanical properties of this type of materials; however, conducting these tests implies a lot of time and high costs, and their use is justified only for large-scale projects. This study provides the geotechnical characterization of a conglomerate located in the southern region of Costa Rica, where a large part of the works of the El Diquís Hydroelectric Project (PHED) will be built. The first objective of this research was to define the mechanical properties of the blocks and the matrix separately by using the results of characterization and strength tests. These tests were developed at the Geotechnical Laboratory of the Costa Rican Electricity Institute and the Rock-Fluid Interaction Laboratory at PUC-Rio. At a second research stage, numerical tests were conducted on virtual conglomerate samples. The creation of the virtual samples was based on the field and laboratory works performed during the first research stage. The numerical tests using virtual samples were carried out by applying the finite element method in the PLAXIS 2D 2014 program. The interpretation of the test results allowed determining the strength and deformability parameters of the conglomerate at different scales of the samples under analysis. Finally, the mechanical parameters derived from the numerical modeling were compared with the data from the interpretation of the field tests performed as part of the geotechnical studies at the dam site of the PHED, where plate load tests and multistage direct shear tests were carried out, thus corroborating the validity of the estimation that was made.

[pt] O processo de revestimento por extrusão é um método muito utilizado na manufatura de diversos produtos. Ele pertence à uma classe de processos de revestimento chamada revestimento com vazão pré-fixada: para operações em regime permanente, a espessura da camada de líquido revestida é definida pela vazão na entrada do equipamento e pela velocidade do substrato. Para diversas aplicações, o líquido de revestimento é uma suspensão de partículas. A abordagem comumente usada é analisar o escoamento como se o fluido fosse Newtoniano, onde sua viscosidade é avaliada pela concentração média de partículas. Porém, dados experimentais mostram que a distribuição de partículas não é uniforme em escoamentos com cisalhamento. Além disso, a distribuição de partículas no filme após o processo de revestimento afetará a estrutura final do filme e, consequentemente, a qualidade final do produto. Portanto, é importante entender os fundamentos do processo de revestimento com suspensão de partículas para melhor descrever este processo e prever comportamentos desse escoamento. O objetivo do presente trabalho é estudar diferentes mecanismos de migração de partículas em suspensão que podem afetar a distribuição de partículas no filme revestido; como mecanismos de difusão e sedimentação. O modelo apresentado leva em consideração a dependência da viscosidade pela concentração local de partículas e o efeito de Marangoni. Dois modelos diferentes foram usados para estudar o escoamento de Marangoni. No primeiro, o transporte de partículas entre a superfície e o escoamento é considerado muito mais rápido que a difusão no escoamento de tal forma que o fluxo líquido é zero e a concentração de partículas na região do escoamento próxima à superfície. No segundo, um modelo mais completo, os efeitos de adsorção e dessorção de partículas pela interface é considerado. O sistema final de equações e não-linear e, com as condições de contorno apropriadas, é resolvido pelo método de Galerkin em elementos finitos e pelo método de Newton. O escoamento é bi-dimensional e, portanto, elementos bi-dimensionais são utilizados para descrever o domínio do problema. Entretanto, para avaliar a concentração ao longo da superfície, foi necessário criar um elemento uni-dimensional. O acoplamento entre estas duas classes de elementos também é discutido. Os resultados mostram que a distribuição de partículas do filme revestido é uma forte função da espessura do filme e das propriedades da suspensão, como a densidade das partículas e coeficientes de difusão. O escoamento de Marangoni pode afetar o padrão de recirculação e a distribuição de concentração de partículas. Além disso, os resultados mostram que a adsorção e dessorção de partículas na interface afetam fortemente a distribuição de partículas. / [en] Slot coating is a common method in the manufacturing of a wide variety of products. It belongs to a class of coating method known as premetered coating: in a steady state operation, the thickness of the coated liquid layer is set by the flow rate fed to the die and the speed of the substrate moving past, and is independent of other variables of the process. For many applications, the coating liquid is a particle suspension. The commom simplified approach is to study the flow as Newtonian and evaluate its viscosity based on the average particle concentration. However, experimental data shows that particle distribution is in fact non-uniform in shear flows. Moreover, particle distribution along the film thickness during the coating process will affect the final fim structure and consequently product performance. Hence, it is important to understand the fundamentals of coating process with particle suspension to better describe and predict the behavior of the flow and the particle distribution in the coated layer. The goal of the present work is to study different particle migration mechanisms in a suspension that may affect particle distribution in the coated film; such as diffusive mechanisms and sedimentation. The model presented takes into account the viscosity dependency and local particle concentration and surface-active particles, i.e. Marangoni effect. Two different approaches were used to study Marangoni flow. First, the bulk-interface transport is considered much faster than bulk diffusion such that the net flux is zero and surface concentration is equal bulk concentration. The second, more complete model, considers adsorption and desorption fluxes from the interface. The non-linear system of equations, with appropriate boundary conditions, is solved by Galerkin Finite Element Method and Newton s Method. The flow is two-dimensional and therefore two-dimensional elements are used to describe flow domain. Nonetheless, in order to evaluate particle concentration along the interface a one-dimensional element was created. The coupling between those two classes of elements of discussed. The results show that the particle distribution on the coated layer is a strong function of the film thickness and suspension properties, such as particle density and diffusion coefficients. The Marangoni flow associated with surface tension gradient due to particle concentration variation along the interface can change the recirculation pattern and particle concentration distribution. Furthermore, the results show that particle adsorption and desorption from interface have a strong effect on the particle distribution.

[pt] A alvenaria é um material largamente utilizado, e é fundamental a realização de pesquisas para caracterizar seu desempenho e elevar a sua utilização a um aspecto mais estrutural, não apenas funcional (separação de ambientes). Neste trabalho é apresentada uma modelagem em elementos finitos para estruturas de alvenaria. Utilizando um modelo numérico sofisticado com base no Método dos Elementos Finitos, associado a um modelo constitutivo adequado, busca- se uma representação mais real do comportamento destas estruturas. A modelagem da alvenaria consiste na representação do comportamento dos tijolos e da argamassa, assim como da interação entre eles. Elementos de interface apresentam- se como uma escolha natural para a descontinuidade física, intrínseca ao problema. Adicionalmente, eles podem representar fissuras provenientes tanto do modo I quanto do modo II, as quais representam aberturas potenciais e deslizamentos no plano, respectivamente. Para isso é necessário acoplá-los a modelos constitutivos que detectem os diversos modos de ruptura do sistema. Também são necessárias avançadas estratégias de solução que permitam seguir a formação de deformações localizadas. Como estratégias empregadas pode-se citar o controle de deslocamentos direto, controle de deslocamento relativo e controle de comprimento de arco. Neste trabalho, um modelo elasto-plástico baseado no critério de escoamento de Mohr-Coulomb foi escolhido para a representação da interface de argamassa. Exemplos foram analisados comparativamente com resultados numéricos e experimentais. / [en] Since masonry is a widely employed material, it is fundamental to better characterize its structural performance and extend its use beyond functional applications (separation of environments). In this work a finite element model for masonry structures is presented. By using a sophisticated numerical tool based on the finite element method, associated to suitable constitutive models, the behavior of these structures is represented in a more realistic way. Masonry modeling consists in representing the behavior of bricks and mortar, as well as the interaction between them. Interface elements present themselves as a natural choice for representation of the intrinsic physical discontinuities of the problem. Additionally, they can represent cracks arising from either mode I or mode II fracture, which represent potential opening and sliding planes, respectively. This requires the coupling of interface elements with constitutive models which embrace several system failure modes. In this work, an elasto-plastic model based on the Mohr- Coulomb yield criteria was chosen for the representation of the mortar interface. The brittle response of these structures often leads to localized failure modes. Advanced strategies of solution that allow us to follow the formation of localized strains are employed, namely displacement control, relative displacement control and the arc-length method. Application of this numerical tool to some numerical examples is shown and compared to experimental results. / [es] El hormigón es un material largamente utilizado por lo que es fundamental la realización de investigaciones para caracterizar su desempeño y extender su uso a un aspecto más extructural y no apenas funcional (separación de ambientes). En este trabajo se presenta un modelo de elementos finitos para extructuras de hormigón. Utilizando un modelo numérico sofisticado con base en el Método de los Elementos Finitos, asociado a un modelo constitutivo adequado, se busca una representación más real del comportamiento de estas extructuras. El modelo representa el comportamiento de los ladrillos y de la argamasa, así como de la interacción entre ellos. Elementos de la interface se presentan como una selección natural para la discontinuidad física, intrínseca al problema. Adicionalmente, se pueden representar fisuras provenientes tanto del modo ? como del modo ??, las cuales representan aberturas potenciales y deslizamentos en el plano, respectivamente. Para ello es necesario acoplarlos a modelos constitutivos que detectan los diversos modos de ruptura del sistema. Tembién son necesarias estrategias de solución avanzadas que permitan seguir la formación de deformaciones localizadas. Como estrategias empleadas se pueden citar: el control de deslocamentos, control de deslocamento relativo y control del largo del arco. En este trabajo se eligió un modelo elasto-plástico basado en el criterio de Mohr-Coulomb para la representación de la interface de argamasa. A modo de comparación se analizaron varios ejemplos con resultados numéricos y experimentales.

[pt] Esta pesquisa visa o desenvolvimento de uma ferramenta numérica capaz de simular a inclusão de elementos drenantes em solos, sejam eles representados por drenos subhorizontais ou poços, constituindo sistemas de drenagem amplamente utilizado em estabilidade de encostas, túneis, escavações e outros. A implementação foi gerada nos programas de fluxo SWMS_2D e SWMS_3D (Simunek e outros, 1994). A formulação proposta considera a equação de fluxo do elemento drenante e a estratégia numérica de sua inclusão na equação de fluxo do solo pelo método dos elementos finitos. Algumas análises numéricas foram realizadas visando a validação do algoritmo. Para os poços foram analisados os casos confinados e não confinados e em regime permanente e transiente, comparando as soluções numéricas obtidas com as soluções analíticas de Theis (1935) (Freeze, 1979), para aqüífero confinado, e de Neumann (1975), para aqüífero não confinado. Para os drenos subhorizontais, propõe - se aqui uma metodologia de análise, levando em consideração os parâmetros hidráulicos e geométricos de um elemento de dreno. Sua aplicação atual não requer muito rigor e este estudo vem com a proposta de ser uma ferramenta geotécnica na fase de projeto de uma obra. / [en] This research aims at the development of a numerical tool capable to simulating the inclusion of draining elements in soils. These elements are represented by subhorizontais drains or wells, constituting systems geotechnical widely used in stability of slopes, tunnels and other problems. The implementation was based in the finite elements programs of flow SWMS_2D and SWMS_3D (Simunek e outros, 1994). The proposed formulation considers the equation of flow of the draining element and the numerical strategy of its inclusion by using the method finite elements. A few numerical analyses were carried out aiming at the validation of the proposed algorithm. For the wells, the confined and unconfined cases and in permanent and flow transient conditions have been analyzed, comparing the obtained numerical solutions with the analytical one by Theis (1935) (Freeze, 1979), for water-bearing confined, and one by Neumann (1975), for water-bearing unconfined. For the subhorizontais drains, an analysis methodology is proposed here, taking in to consideration the hydraulical and geometric parameters of a drain element. In this case illustrative examples are presented. The implementation carried out is a simplified one but is should be adequate for the design of geotechnical structures.

[pt] O comportamento sísmico de taludes tem sido um tópico de grande interesse da engenharia geotécnica nos últimos 40 anos. Durante este período, a prática da engenharia nesta área evoluiu do emprego de técnicas elementares para procedimentos numéricos bastante complexos. A abordagem mais simples é a análise pseudo-estática na qual o carregamento do terremoto é simulado por uma aceleração horizontal estática equivalente atuando na massa de solo deslizante, utilizando-se um procedimento de equilíbrio limite (método das fatias), geralmente conservativo. O parâmetro que descreve o comportamento dinâmico do solo é referido como coeficiente sísmico k, e sua seleção depende fortemente da experiência e normas técnicas locais, porque não há maneira simples e segura de se escolher um valor adequado. O segundo procedimento é conhecido como método de Newmark, que envolve o cálculo de uma aceleração de escoamento, definida como a força inercial necessária para o fator de segurança atingir 1 em uma análise pseudo-estática pelo método de equilíbrio limite. O procedimento então usa os registros de aceleração do terremoto de projeto e o integra duplamente no tempo para calcular os deslocamentos permanentes acumulados. O terceiro método é referido como análise de Makdisi- Seed, que procura definir a estabilidade sísmica do talude em termos de deslocamentos aceitáveis em vez de um fator de segurança tradicional através de uma versão modificada do método de Newmark. Esta técnica apresenta uma maneira racional de calcular uma aceleração de escoamento média, necessária para produzir um valor do coeficiente de segurança do talude igual a 1. Gráficos específicos foram também desenvolvidos para estimativa dos deslocamentos permanentes, tendo sido bastante aplicados em aterros rodoviários, barragens e aterros sanitários. Finalmente, o mais sofisticado método para análise de estabilidade sísmica de taludes é conhecido como análise dinâmica, que normalmente incorpora modelos de elementos finitos e relações tensão x deformação complexas numa tentativa de obter melhores representações para o comportamento mecânico de taludes sob cargas cíclicas Os resultados destas análises podem incluir a história no tempo dos deslocamentos e tensões, bem como das freqüências naturais, efeitos de amortecimento, etc. Este trabalho apresenta uma comparação entre os métodos mencionados anteriormente, analisando o comportamento sísmico dos taludes da estrutura de contenção dos resíduos de lixiviação de minério de urânio, na Bahia, e dos taludes do bota-fora sul da mina de cobre Toquepala, situada no Peru. / [en] The seismic stability of slopes has been a topic of considerable interest in geotechnical engineering for the past 40 years. During that period, the state of practice has moved from simples techniques to more complicated numerical procedures. The simplest approach is the pseudo-static analysis in which the earthquake load is simulated by an equivalent static horizontal acceleration acting on the mass of the landslide, according to a generally conservative limit equilibrium analysis. The ground motion parameter used in a pseudo-static analysis is referred to as the seismic coefficient k, and its selection has relied heavily on engineering judgment and local code requirements because there is no simple method for determining an appropriate value. The second main procedure is known as the Newmark displacement analysis which involves the calculation of the yield acceleration, defined as the inertial force required to cause the static factor of safety to reach 1 from the traditional limit equilibrium slope stability analysis. The procedure then uses a design earthquake strong-motion record which is numerically integrated twice for the amplitude of the acceleration above the yield acceleration to calculate the cumulative displacements. These displacements are then evaluated in light of the slope material properties and the requirements of the proposed development. The third method is referred to as the Makdisi-Seed analysis sought to define seismic embankment stability in terms of acceptable deformation instead of conventional factors of safety, using a modified Newmark analysis. Their method presents a rational means to determine yield acceleration, or the average acceleration required to produce a factor of safety of unity. Design curves were developed to estimate the permanent earthquake- induced deformations of embankments, which have since been applied to sanitary landfill and highway embankments. Finally, the most sophisticated method for seismic slope stability calculations is known as the dynamic analysis, which normally incorporates a finite element model and a rather complex stress-strain behavior for geological materials in an attempt to obtain a better representation of the behavior of soils under cyclic loading. The results of the analysis can include a time history of displacements and stresses, as well as natural frequencies, effects of damping, etc. This work presents a comparison of the results obtained by the aforementioned approaches, considering the seismic behavior of the slopes of an uranium lixiviation pad situated in Bahia, Brazil, and the South embankment of the waste landfill of the Toquepala Mine, Peru.

[pt] O presente trabalho foca em uma investigação numérica do escoamento através de meios porosos com macroporos, como os carbonatos. A presença de vugs e fraturas tem um forte efeito na característica do escoamento. O fluxo através da matriz porosa é geralmente descrito pela equação de Darcy e o fluxo através dos macroporos pela equação de Stokes. O acoplamento entre essas duas abordagens distintas traz grande complexidade para a modelagem de tais fluxos. Neste trabalho, utilizamos a formulação de Brinkman que é capaz de descrever ambos os fluxos através da matriz porosa e macroporos com uma única equação diferencial. Resolvemos o sistema de equações diferenciais usando o modelo de elementos finitos e implementamos o código com auxílio da plataforma FEniCS. Primeiro, resolvemos o fluxo 1-D através de placas paralelas com uma das paredes sendo um material poroso. O objetivo foi comparar as previsões obtidas pela formulação de Brinkman com aquela obtida usando a condição de contorno de Beavers-Joseph. Então, resolvemos um fluxo 2-D através de um meio poroso com macroporos. A geometria da estrutura porosa foi obtida a partir de cortes 2D de imagens tomográficas de carbonatos. O objetivo desta análise foi avaliar uma permeabilidade equivalente em função da área e estrutura dos macroporos. / [en] The present work focuses on a numerical investigation of the flow through porous media with macropores, such as carbonates. The presence of vugs and fractures have a strong effect on the flow characteristics. The flow through the porous matrix is usually described by the Darcy equation and the flow through the macropores by Stokes equation. The coupling between these two distinct approaches brings great complexity to the modeling of such flows. In this work, we use Brinkman formulation that is able to describe the flow, both in the porous matrix and macropores with a single differential equation. We solved the set of differential equations using the finite element model and implemented the code in the FEniCS platform. We first solved the 1-D flow through parallel plates with one of the walls being a porous material. The goal was to compare the predictions obtained with the Brinkman formulation to that obtained by using the Beavers-Joseph boundary condition. Then, we solved a 2-D flow through a porous medium with macropores. The geometry of the pore structure was obtained from 2D slices of tomographic images of carbonates. The goal of this analysis was to evaluate an equivalent permeability as a function of macropores area and structures.

[pt] Nos últimos anos, os materiais compósitos cimentícios vêm ganhando destaque na indústria da construção civil. Suas excelentes propriedades mecânicas e contribuição para o controle de propagação de fissuras são um atrativo para seu emprego como material de construção. No entanto, normas técnicas para projeto envolvendo estes materiais e estruturas ainda não são consagradas. Uma melhor compreensão do comportamento de materiais cimentícios com adição de fibras requer o estudo de suas fases e da interação entre elas. Análises em diferentes escalas possibilitam esta representação. Tensões e deformações, dano e iniciação de fissuras ocorrem na escala das heterogeneidades e ajudam a explicar e prever o comportamento do concreto em uma escala macroscópica. A modelagem e simulação do comportamento destes compósitos é complexa e desafiadora. Para tal, é necessário definir os principais mecanismos que descrevem o comportamento do material de modo a escolher a descrição matemática adequada. Esta dissertação propõe metodologias para a modelagem numérica multiescala de materiais compósitos cimentícios. A partir de informações obtidas na escala do material, busca-se compreender melhor o comportamento global do compósito. Para isto, serão desenvolvidos métodos numéricos e computacionais baseados no Método dos Elementos Finitos, em técnicas de Inteligência Artificial e nos conceitos da Mecânica do Dano Computacional. Na macroescala, um modelo contínuo equivalente é desenvolvido através de técnicas probabilísticas e de Inteligência Artificial. Na mesoescala, duas abordagens são propostas. A primeira inclui as fibras através de elementos de interface, e a segunda através de um novo elemento compósito fibra-matriz. Os modelos desenvolvidos permitem avaliar a evolução do dano, o processo de propagação de fissuras, e o comportamento global carga-deslocamento do compósito até a ruptura. Resultados experimentais da literatura suportam as conclusões do trabalho. / [en] In recent years, fiber reinforced cement-based materials have gained relevance in the civil engineering industry. Due to its excellent mechanical properties and contribution to crack propagation control, there is a great appeal to its usage as a construction material. However, technical standards for fiber reinforced concrete are still not established. A better understanding of the behavior of cement composite materials requires the representation of the material phases and their interfacial behavior. Stresses and strain distributions, damage evolution and fracture initiation develop at the observation scale of the heterogeneities and help to explain and predict the behavior of concrete at a macroscopic level. The numerical modeling of these composites emerge as challenging and complex problems. For this, it is necessary to define the main mechanisms that describe the material behavior in order to choose the proper mathematical formulation. This dissertation proposes methodologies for the numerical modeling of cement composite materials in a multiscale approach. From the information obtained at the material scale, this work aims at assessing the global behavior of the composite. Numerical and computational procedures will be developed based on the Finite Element Method, Artificial Intelligence techniques and concepts of Computational Damage Mechanics. At the macroscale, an equivalent continuum model is developed through probabilistic and Artificial Intelligence techniques. At the mesoscale, two approaches are proposed. The first includes the fibers through interface elements. The second adopts a new fiber-matrix composite element. With the models developed here, it is possible to evaluate damage evolution, fracture propagation patterns, load-displacement global behavior of the composite upto failure. Experimental results from the literature give support to the conclusions.

[pt] O presente trabalho apresenta a Barragem de Terzaghi em um contexto da evolução tecnológica da construção de barragens de terra, colocando em foco sua construção e desempenho ao longo de 65 anos de operação bem como a verificação atual de suas condições físicas, analisando o impacto que a carga de sedimentos causa sobre a face montante da barragem, em termos de percolação, tensões e deformações. Tendo como base os métodos observacionais aplicados ao longo da operação da barragem e modelagem por elementos finitos, foram traçadas expectativas do fator de segurança para a seção principal da barragem ao longo do tempo. / [en] This work presents the Terzaghi Dam in a technological evolutionary context of the construction of earthfill dams, focusing on its own construction a performance after 65 years in operation as well as a scrutinized assessment of its physical conditions, implying the sediment load on its upstream slope, regarding seepage, stresses and strains. Taking into account observational methods applied throughout the operation of the dam and finite element simulations, the evolution of factor of safety over the dam lifetime and on was evaluated for the main section of the dam.

[pt] O design otimizado de estruturas considerando não-linearidades tem sido amplamente pesquisado nas décadas recentes. A análise de elementos finitos aplicada à otimização topológica é prejudicada pela deformação excessiva de elementos de baixa densidade sob alta compressão, o que impede o processo de encontrar uma solução ótima. Dois métodos, o esquema Interpolação de Energia e a técnica de Hiperelasticidade Aditiva, são implementados para superar essa dificuldade no problema de minimização da flexibilidade, e modelos de materiais hiperelásticos são usados para investigar suas influências na topologia otimizada. O Método das Assíntotas Móveis é usado para atualizar as variáves de projeto cujas sensibilidades foram calculadas pelo método adjunto. A equação de estado é resolvida através do método de Newton-Raphson com um incremento de carga ajustável para reduzir o custo computacional. Resultados de dois problemas de referência são comparado com aqueles já estabelecidos na literatura. O uso de diferentes modelos hiperelásticos apresentou pouca influência no design final da estrutura. O método de Interpolação de Energia foi capaz de convergir para cargas muito maiores que o método padrão, enquanto a Hiperelasticidade Aditiva apresentou dificuldades de convergência em estado plano de deformação. / [en] The optimized design of structures considering nonlinearities has been widely researched in the recent decades. The finite element analysis applied to topology optimization is jeopardized by the excessive deformation of low-density elements under high compression, which hinders the process of finding an optimal solution. Two methods, the Energy Interpolation scheme and the Additive Hyperelasticity technique, are implemented to overcome this difficulty in the minimum compliance problem, and hyperelastic material models are used to investigate their influence on the optimized topology. The Method of Moving Asymptotes is used to update the design variables whose sensitivities were calculated from the adjoint method. The state equation is solved through the Newton-Raphson method with an adjusting load step to reduce computational cost. Results for two benchmark problems are compared with those already established in the literature. The use of different hyperelastic models presented little influence on the final design of the structure. The Energy Interpolation method was able to converge for much higher loads than the default method, while the Additive Hyperelasticity presented convergence difficulties in plane strain.

[pt] Na análise da predição de vida de estruturas a presença de defeitos por trincas é de fundamental importância. Estudos iniciais utilizando a Mecânica da Fratura Linear Elástica mostram que o Fator de Intensidade de Tensão controla o crescimento de trinca por fadiga. Contudo, sobrecargas podem induzir efeitos de memória no material ao reduzir, parar ou acelerar taxas de propagação, comportamento não previsto considerando-se um único parâmetro elástico. Devido às hipóteses consideradas, as soluções fornecidas pelos métodos analíticos não verificam condições importantes de equilíbrio e compatibilidade, especialmente quando são usados campos singulares idealizados de tensão e de deformação na região da ponta da trinca. Neste trabalho uma extensa revisão dos resultados analíticos recentemente publicados para materiais nos regimes elástico e elastoplástico são apresentadas: Williams e HRR com campo de distribuição singular das tensões e Creager-Paris com campo não-singular das tensões com o material elástico. Neste estudo, estas soluções são comparadas com resultados da análise numérica utilizando a discretização por elementos finitos tridimensionais elastoplásticos com o critério de escoamento do material de von Mises na representação do cegamento da ponta da trinca e importantes conclusões são apresentadas com referência aos limites de aplicação dos modelos teóricos bem como a extensão dos requerimentos para o modelo numérico. Além de carregamentos monotonicamente crescentes, o descarregamento foi também considerado na análise numérica, apesar desta condição não estar presente nas referências consideradas para as soluções analíticas. Para as simulações numéricas consideradas algoritmos de elastoplasticidade foram implementados em um framework com arquitetura baseada em plugins. / [en] In structure life prediction analysis the occurrence of crack defects are of paramount importance to be considered. Basic studies using Linear Elastic Fracture Mechanics approach shows that the Stress Intensity Factor (SIF) parameter controls Fatigue crack growth (FCG). However, overloads may induce material memory effects that delay, arrest or accelerate the FCG rate, a behavior that is not described by considering a single elastic parameter. To account for service variable amplitude loadings, the use of a prescribed stress-strain distribution has been proposed in recent research studies, as the driving force of FCG, using the critical damage approach. Due to the assumptions considered in the analytical derivations, important equilibrium and compatibility conditions are violated in the obtained solutions, since an idealized singular stress-strain field at the crack front region is used. In this work a comprehensive review of the recently published analytical results for solutions under the elastic and elastoplastic material behavior regimens are presented: Williams and HRR with singular stress distribution field and Creager-Paris with a non singular stress field, but with the material elastic approach. These solutions are compared, throughout the study, to results obtained from the numerical analysis using a 3D finite element discretization with elastoplastic von Mises yielding criteria employed for the modeling of the crack tip blunt and some comprehensive conclusions are derived regarding application limits of the theoretical models as well as the required extent of the numerical model representation. In addition to monotonic increasing applied loads, unloading conditions were also considered in the numerical analysis, although no reference to this condition is available in the literature, considering the analytical approach. For the numerical simulations presented elastoplastic algorithms were implemented in a plugin based framework.