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Dissertação de Mestrado
DOI
https://doi.org/10.11606/D.18.2021.tde-26052021-182031
Documento
Autor
Nome completo
Welington Hilário Vieira
Unidade da USP
Área do Conhecimento
Data de Defesa
Imprenta
São Carlos, 2021
Orientador
Banca examinadora
Paccola, Rodrigo Ribeiro (Presidente)
Ferrari, Vladimir José
Vanalli, Leandro
Título em português
Sobre o estudo de modelos numéricos aplicados à simulação multiescala do comportamento de estruturas de concreto
Palavras-chave em português
Acoplamento de Malha não Conforme
Concreto
Método dos Elementos Finitos Posicional
Propagação de Fissuras
Sobreposição de malhas
Resumo em português
Neste trabalho é desenvolvido um código computacional capaz de simular a propagação de fissuras em meios contínuos reforçados com partículas, com ênfase ao concreto, usando a técnica de análise multiescala concorrente representando a macroescala e a mesoescala. A análise estrutural utiliza o Método dos Elementos Finitos Posicional, cuja formulação considera as posições nodais como incógnitas e a não-linearidade geométrica de forma natural. A propagação de fissuras ocorre de forma discreta na mesoescala através de elementos de interface criados entre elementos finitos de cada fase do concreto, nos quais é aplicado um modelo de dano para representar a degradação. A principal contribuição do trabalho é a proposição e validação de dois modelos de representação do concreto em mesoescala formados pela sobreposição de malhas independentes para a argamassa e para o agregado graúdo buscando deixar o pré-processamento mais simples. Nesses modelos foi explorada uma formulação que permite representar reforços de sólidos com elementos finitos sem necessidade de coincidência de nós e sem acrescentar graus de liberdade ao problema. No primeiro modelo aplica-se a formulação descrita aos elementos das partículas e assim funcionam como reforços com aderência perfeita à matriz e sem que seus nós causem acréscimo de graus de liberdade ao problema. No segundo modelo busca-se considerar a perda de aderência das partículas com a matriz e os referidos elementos sem graus de liberdade adicionais passam a desempenhar a função de elementos de acoplamento entre as malhas desses componentes e representam a zona de transição interfacial. Os elementos sem acréscimo de graus de liberdade também são aproveitados para acoplar malhas não conformes entre as escalas e para representar o aço do concreto armado. No último caso se considera ainda um modelo constitutivo elastoplástico. Por fim, as implementações são validadas e analisam-se suas vantagens e desvantagens, concluindo-se que os modelos de representação da mesoescala propostos permitem a obtenção de respostas estruturais adequadas para concreto simples e armado. A resposta é válida para casos de predominância do modo I de fratura e os elementos de acoplamento entre escalas garantem a continuidade do campo de deslocamento.
Título em inglês
On the study of numerical models applied to multiscale simulation of concrete structures behavior
Palavras-chave em inglês
Concrete
Crack Propagation
Non-matching Mesh Coupling
Overlapping meshes
Positional Finite Element Method
Resumo em inglês
This work develops a computational code capable of simulating the crack propagation in continuous media reinforced with particles, with emphasis on concrete, using the concurrent multiscale analysis technique representing the macroscale and the mesoscale. The structural analysis uses the Positional Finite Element Method, whose formulation considers the nodal positions as unknowns and the geometric non-linearity in a natural way. Crack propagation occurs discretely in the mesoscale through interface elements created between finite elements of each concrete phase, in which a damage model is applied to represent the degradation. The main contribution of the work is the proposition and validation of two ways to represent the mesoscale concrete formed by the overlapping of independent meshes for the mortar and for the coarse aggregate trying to make preprocessing easier. In these models was explored a formulation that allows to represent reinforcements of solids with finite elements without the need for coincidence of nodes and without adding degrees of freedom to the problem. In the first model, the formulation described is applied to the elements of the particles and thus they work as reinforcements with perfect adherence to the matrix and without their nodes causing increased degrees of freedom to the problem. In the second model, the loss of adherence of the particles with the matrix is considered and the referred elements without additional degrees of freedom start to act as coupling elements between the meshes of these components and represent the interfacial transition zone. The elements without degrees of freedom are also used to couple non-matching meshes between the scales and to represent the steel of reinforced concrete. In the latter case, an elastoplastic constitutive model is also considered. Finally, the implementations are validated and their advantages and disadvantages are analyzed, concluding that the proposed mesoscale representation models allow obtaining adequate structural responses for simple and reinforced concrete. The answer is valid for cases of predominance of mode I fracture and the coupling elements between scales guarantee the continuity of the displacement field.
 
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Data de Publicação
2021-06-29
 
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