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Tesis Doctoral
DOI
10.11606/T.3.2016.tde-10052016-113532
Documento
Autor
Nombre completo
Eduardo Alexandre Rodrigues
Dirección Electrónica
Instituto/Escuela/Facultad
Área de Conocimiento
Fecha de Defensa
Publicación
São Paulo, 2015
Director
Tribunal
Bittencourt, Tulio Nogueira (Presidente)
Guimarães, Leonardo José do Nascimento
Huespe, Alfredo Edmundo
Manzoli, Osvaldo Luís
Sousa, Jose Luiz Antunes de Oliveira e
Título en portugués
Um modelo multiescala concorrente para representar o processo de fissuração do concreto.
Palabras clave en portugués
Análise multiescala
Concreto
Elemento finito de acoplamento
Elemento finito de interface
Modelo constitutivo de dano
Modelo multiescala adaptativo
Propagação de fissura
Resumen en portugués
Este trabalho propõe uma técnica de modelagem multiescala concorrente do concreto considerando duas escalas distintas: a mesoescala, onde o concreto é modelado como um material heterogêneo, e a macroescala, na qual o concreto é tratado como um material homogêneo. A heterogeneidade da estrutura mesoscópica do concreto é idealizada considerando três fases distintas, compostas pelos agregados graúdos e argamassa (matriz), estes considerados materiais homogêneos, e zona de transição interfacial (ZTI), tratada como a parte mais fraca entre as três fases. O agregado graúdo é gerado a partir de uma curva granulométrica e posicionado na matriz de forma aleatória. Seu comportamento mecânico é descrito por um modelo constitutivo elástico-linear, devido a sua maior resistência quando comparado com as outras duas fases do concreto. Elementos finitos contínuos com alta relação de aspecto em conjunto com um modelo constitutivo de dano são usados para representar o comportamento não linear do concreto, decorrente da iniciação de fissuras na ZTI e posterior propagação para a matriz, dando lugar à formação de macrofissuras. Os elementos finitos de interface com alta relação de aspecto são inseridos entre todos os elementos regulares da matriz e entre os da matriz e agregados, representando a ZTI, tornando-se potenciais caminhos de propagação de fissuras. No estado limite, quando a espessura do elemento de interface tende a zero (h ?0) e, consequentemente, a relação de aspecto tende a infinito, estes elementos apresentam a mesma cinemática da aproximação contínua de descontinuidades fortes (ACDF), sendo apropriados para representar a formação de descontinuidades associados a fissuras, similar aos modelos coesivos. Um modelo de dano à tração é proposto para representar o comportamento mecânico não linear das interfaces, associado à formação de fissuras, ou até mesmo ao eventual fechamento destas. A fim de contornar os problemas causados pela malha de elementos finitos de transição entre as malhas da macro e da mesoescala, que, em geral, apresentam diferenças expressivas 5 de refinamento, utiliza-se uma técnica recente de acoplamento de malhas não conformes. Esta técnica é baseada na definição de elementos finitos de acoplamento (EFAs), os quais são capazes de estabelecer a continuidade de deslocamento entre malhas geradas de forma completamente independentes, sem aumentar a quantidade total de graus de liberdade do problema, podendo ser utilizados tanto para acoplar malhas não sobrepostas quanto sobrepostas. Para tornar possível a análise em multiescala em casos nos quais a região de localização de deformações não pode ser definida a priori, propõe-se uma técnica multiescala adaptativa. Nesta abordagem, usa-se a distribuição de tensões da escala macroscópica como um indicador para alterar a modelagem das regiões críticas, substituindo-se a macroescala pela mesoescala durante a análise. Consequentemente, a malha macroscópica é automaticamente substituída por uma malha mesoscópica, onde o comportamento não linear está na iminência de ocorrer. Testes numéricos são desenvolvidos para mostrar a capacidade do modelo proposto de representar o processo de iniciação e propagação de fissuras na região tracionada do concreto. Os resultados numéricos são comparados com os resultados experimentais ou com aqueles obtidos através da simulação direta em mesoescala (SDM).
Título en inglés
A concurrent multiscale model to represent the crack process of concrete.
Palabras clave en inglés
Adaptive multiscale model
Concrete.
Continuum damage model
Coupling finite element
Crack propagation
Interface finite element
Multiscale analysis
Resumen en inglés
A concurrent multiscale analysis of concrete is presented, in which two distinct scales are considered: the mesoscale, where the concrete is modeled as a heterogeneous material and the macroscale that treats the concrete as a homogeneous material. The mesostructure heterogeneities are idealized as three phase materials composed of the coarse aggregates, mortar matrix and the interfacial transition zone (ITZ). The coarse aggregates are generated from a grading curve and placed into the mortar matrix randomly. Their behavior is described using an elastic-linear constitutive model due to their significant higher strength when compared with the other two phases of the concrete. Special continuum finite elements with a high aspect ratio and a damage constitutive model are used to describe the nonlinear behavior associated to the propagation of cracks, which initiates in the ITZ and then propagates to the mortar matrix given place to a macro-crack formation. These interface elements with a high aspect ratio are inserted in between all regular finite elements of the mortar matrix and in between the mortar matrix and aggregate elements, representing the ITZ. In the limit case, when the thickness of interface elements tends to zero (h ?0) and consequently the aspect ratio tends to infinite, these elements present the same kinematics as the continuous strong discontinuity approach (CSDA), so that they are suitable to represent the formation of discontinuities associated to cracks, similar to cohesive models. A tensile damage model is proposed to model the nonlinear mechanical behavior of the interfaces, associated to the crack formation and also to the possible crack closure. To avoid transition meshes between the macro and the mesoscale meshes, a new technique for coupling non-matching meshes is used. This technique is based on the definition of coupling finite elements (CFEs), which can ensure the continuity of displacement between independent meshes, without increasing the total number of degrees of freedom of the problem. This technique can be used to couple non-overlapping and overlapping meshes.To make possible the concurrent multiscale analysis, where the strain localization region cannot be defined a priori, an adaptive multiscale model is proposed. In this approach the macroscale stress distribution is used as an indicator to properly change from the macroscale to the mesoscale modeling in the critical regions during the analysis. Consequently, the macroscopic mesh is automatically replaced by a mesoscopic mesh where the nonlinear behavior is imminent. A variety of tests are performed to show the ability of the proposed methodology in predicting the behavior of initiation and propagation of cracks in the tensile region of the concrete. The numerical results are compared with the experimental ones or with those obtained by the direct simulation in mesoscale (DSM).
 
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Fecha de Publicación
2016-06-07
 
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