Descrição do fenômeno de fraturamento do concreto: uma abordagem estocástica baseada em modelos contínuos-descontínuos de dano e phase-field
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Universidade Federal de Minas Gerais
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Tese de doutorado
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Description of the concrete fracturing phenomenon: a stochastic approach based on continuous-discontinuous models of damage and phase-field
Primeiro orientador
Membros da banca
Flávio de Souza Barbosa
Roque Luiz da Silva Pitangueira
Lapo Gori
Américo Campos Filho
Roque Luiz da Silva Pitangueira
Lapo Gori
Américo Campos Filho
Resumo
Esta tese propõe a descrição completa do processo de degradação do concreto a partir do desenvolvimento de uma abordagem contínua-descontínua, cujo critério de transição é a variável de \textit{phase-field}. Embora a busca por modelos constitutivos e métodos numéricos capazes de representar o comportamento de materiais parcialmente frágeis desperte o interesse de estudiosos desde o início do século XX, esse ainda é um desafio que perdura na Engenharia de Estruturas. Abordagens contínuas e descontínuas contemplam, respectivamente, o estágio inicial, caracterizado pelo surgimento de microfissuras, e o estágio final, em que há formação de trincas macroscópicas, da degradação do concreto. Contudo, um modelo representativo da deterioração do meio material deve abrangê-la em sua completude. Para atingir esse propósito, faz-se necessário combinar ambas as teorias. A literatura relata alguns trabalhos que discutem o tema, entretanto, esses apresentam limitações para padrões complexos de fratura e há pendências quanto à definição do procedimento de transição entre contínuo e descontínuo. Nesse contexto, o presente trabalho pretende elaborar uma abordagem que associe modelos contínuos de dano não local com a introdução de trincas discretas na malha de elementos finitos via duplicação nodal. A opção pela variável de \textit{phase-field} como critério de transição entre o dano distribuído e a fratura discreta é justificada por sua característica de se relacionar tanto com a mecânica do dano quanto com a mecânica da fratura, além da sua capacidade de indicar a nucleação, a propagação e a coalescência de fissuras. Adicionalmente, a fim de incorporar às simulações numéricas a aleatoriedade inerente ao material e ao processo de fraturamento, apresenta-se uma estratégia estocástica de parametrização baseada no método de Monte Carlo. Uma série de simulações numéricas foi realizada para validação do modelo constitutivo proposto e os resultados indicaram a eficiência da formulação desenvolvida em reproduzir a degradação do concreto, desde estágios incipientes até a iminência do colapso.
Abstract
This thesis proposes a complete description of the concrete degradation process based on the development of a continuous-discontinuous approach, whose transition criterion is the phase-field variable. Although the search for constitutive models and numerical methods able to represent the behavior of quasi-brittle materials has aroused the interest of researchers since the beginning of the 20th century, this is a challenge that endures in Structural Engineering. Continuous and discontinuous approaches embrace, respectively, the initial stage of concrete degradation, characterized by the nucleation of microcracks, and the final stage, when macroscopic cracks emerge. However, a representative model of the material media deterioration must comprise it entirely. To aim at this purpose, it is necessary to associate both theories. The literature reports some works that discuss the theme. Nevertheless, they present limitations to complex fracture standards, and there are gaps in the procedure for transitioning between continuous and discontinuous. In this context, the present study intends to develop an approach that associates continuous nonlocal damage models with introducing discrete cracks into the finite element mesh using nodal duplication. The option for the phase-field variable as the transition criteria between smeared damage and discrete fracture is justified by its characteristic of relating damage mechanics and fracture mechanics, besides its capability to indicate the nucleation, propagation, and coalescence of cracks. Additionally, to incorporate the randomness inherent in the material and the fracturing process into the numerical simulations, a stochastic parameterization strategy based on the Monte Carlo method is presented. A series of numerical simulations were performed to validate the proposed constitutive model, and the results indicated the effectiveness of the developed formulation in reproducing concrete degradation, from incipient stages to imminent collapse.
Assunto
Engenharia de estruturas, Resistência de materiais, Mecânica da fratura - Modelos matemáticos, Análise estocástica, Métodos de simulação, Concreto - Deterioração, Algoritmos, Cálculos numéricos
Palavras-chave
Abordagem contínua-descontínua, Degradação do concreto, Duplicação nodal, Modelos de dano não local, Variável de phase-field
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