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Master's Dissertation
DOI
https://doi.org/10.11606/D.18.2020.tde-09032022-084640
Document
Author
Full name
Tayra Müller Silva Lopes
Institute/School/College
Knowledge Area
Date of Defense
Published
São Carlos, 2020
Supervisor
Committee
Celestino, Tarcisio Barreto (President)
Gonzatti, Clovis
Nader, José Jorge
Title in Portuguese
Análise da influência das condições de contorno na determinação dos parâmetros elásticos e da tenacidade de rochas no ensaio brasileiro
Keywords in Portuguese
Ensaio brasileiro
Fenômeno do contato
Método dos elementos de contorno
Método dos elementos finitos
Resistência à tração
Tenacidade
Abstract in Portuguese
O ensaio de compressão diametral é largamente utilizado para a avaliação indireta da resistência à tração de materiais frágeis ou quase frágeis. Contudo, a influência das condições de contorno do ensaio sobre as respostas mecânicas não é ainda muito bem compreendida. Além da influência das condições de contorno, a determinação dos parâmetros elásticos e da tenacidade a partir do ensaio brasileiro ainda não é completamente estabelecida na literatura. Apesar de soluções analíticas serem utilizadas na modelagem do problema, essa abordagem não representa de forma precisa as condições de contorno. Dessa forma, a solução robusta do problema requer a utilização de métodos numéricos. Nesse contexto, este trabalho apresenta a análise da influência das condições de contorno na distribuição das tensões de tração no ensaio de compressão diametral. Enquanto muitas soluções analíticas assumem o estado plano de deformação, a Sociedade Internacional de Mecânica das Rochas (ISRM) sugere diferentes espessuras de corpo de prova e mandíbula. São consideradas diferentes espessuras da mandíbula de aplicação de carga em relação à espessura do corpo de prova, distintas representações do fenômeno do contato, variados coeficientes de atrito, diferentes métodos numéricos e distintas restrições de deslocamento. Os resultados permitem concluir que a distribuição de tensão não é fortemente alterada pelas diversas hipóteses de modelagem das condições de contorno. Contudo, a adoção de espessuras iguais para a mandíbula e para o corpo de prova foi efetiva para a redução da concentração de tensão existente na região do contato entre o corpo de prova e a mandíbula. Quanto à determinação dos parâmetros elásticos, o método sugerido por Celestino e Bortolucci (1998) foi validado por soluções analíticas. Igualmente, o método para determinação da tenacidade sugerido por Celestino e Bortolucci (1992) foi validado por solução analítica e pelos métodos numéricos utilizados no presente estudo.
Title in English
The influence of boundary conditions on the determination of elastic constants and fracture toughness from diametral compression tests in rock
Keywords in English
Boundary element method
Brazilian test
Contact mechanics
Finite element method
Indirect tensile strength
Toughness
Abstract in English
The diametral compression test is widely used to obtain an indirect measure of the tensile strength of brittle or quasi-brittle materials. However, the influence of its boundary conditions on mechanical responses is not completely understood. Although analytical solutions describe the problem, they involve assumptions that not necessarily represent the real boundary conditions. Hence, robust solution to the problem requires numerical methods. In this context, this study analyses the influence of boundary conditions on the tensile stress distribution of the diametral compression test. While most analytical solutions assume plane strain conditions, the International Society for Rock Mechanics (ISRM) suggests different thicknesses for the specimen and loading jaws. Three-dimensional analyses with different ratios between jaw and specimen thicknesses are presented herein as well as different representations of the contact phenomenon, several friction coefficients, two numerical methods and different displacement restrictions. The results demonstrate that the stress distribution is not strongly modified by various modelling hypotheses of the boundary conditions. However, equal thickness for jaw and specimens is effective in reducing the stress concentration in the contact region. This contributes to decrease the scatter of test results. Concerning the elastic parameters determination, the method suggested by Celestino and Bortolucci (1998) was validated by analytical solutions. Similarly, the method for the toughness determination suggested by Celestino and Bortolucci (1992) was validated by the numerical methods used in the present study and by analytical solution.
 
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Publishing Date
2022-03-11
 
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