Desenvolvimento e implementação de uma lei constitutiva elastoplástica com dano contínuo para solos reforçados com fibras

Abstract

A geomecânica computacional está apresentando nos últimos anos avanços significativos com o desenvolvimento de modernas técnicas computacionais que possibilitam a análise de problemas muito complexos da engenharia geotécnica. Esta tendência motivou o desenvolvimento de softwares específicos aplicados a geomateriais e projetos geotécnicos. O desenvolvimento de modelos constitutivos, que permitam a caracterização numérica e modelação computacional para os novos materiais geotécnicos, constitui um desafio permanente na geomecânica computacional. Neste sentido, o solo reforçado com fibras distribuídas aleatoriamente é um geomaterial estudado de forma científica e sistematizada nas últimas décadas, com várias pesquisas a nível internacional que concluem que as fibras melhoram várias das propriedades mecânicas e alteram o mecanismo de falha do material. Paralelamente, na mecânica computacional foi desenvolvida a teoria da mecânica de dano contínuo e as contribuições de muitos pesquisadores possibilitaram numerosas aplicações no campo da engenharia prática, em especial, no campo dos materiais compósitos e geomateriais. Na engenharia geotécnica foram publicadas as primeiras propostas de modelos constitutivos para solos granulares e para solos coesivos. Neste projeto de pesquisa foi desenvolvida uma lei constitutiva elastoplástica com a incorporação da mecânica de dano contínuo para solos reforçados com fibras, que foi implementada através de ferramentas computacionais que utilizam código de elementos finitos. Para a obtenção dos parâmetros e calibração do modelo, são utilizados dados de ensaios triaxiais estáticos em ciclos de carga-descarga-recarga. O modelo foi codificado na linguagem de programação FORTRAN e posteriormente inserido numa sub-rotina UMAT do software ABAQUS. Com a lei constituída desenvolvida e implementada é possível concluir que: a teoria da Mecânica de Dano Contínuo é aplicável no estudo do comportamento no estado elastoplástico com dano dos solos reforçados com fibras; a medida do dano do material está baseada na variação do módulo elástico do mesmo e pode ser realizada utilizando ensaios estáticos em ciclos de carga-descarga-recarga do material; a adoção de uma medida macroscópica de dano, facilita a utilização do modelo a projetos geotécnicos devido à disponibilidade de equipamentos para realizar as medições requeridas e também se demonstrou sua aplicabilidade para modelar o fenômeno associado a projetos geotécnicos.

Computational geomechanics is showing significant advances in recent years with the development of modern computational techniques that allow the analysis of very complex geotechnical engineering problems. This trend motivate the development of specific softwares applied to geomaterials and geotechnical projects. The development of constitutive models, which allow numerical characterization and computational modeling for new geotechnical materials is an ongoing challenge in computational geomechanics. In this sense, random distributed fiber reinforced soil is a geomaterial studied on scientific and systematic way in recent decades, with several international studies that conclude that the fibers improve various mechanical properties and changes the mechanism of material failure. In parallel, in the computational mechanics field was developed the theory of continuum damage mechanics and the contribution of many researchers enabled numerous applications in the field of engineering practice, in particular in the field of composite materials and geomaterials. In the geotechnical engineering field were published recently the first proposals of constitutive models for granular soils and cohesive soils. This research project developed an elastoplastic constitutive law with the incorporation of continuum damage mechanics for fiber-reinforced soils, which may be implemented through different computational tools using finite element code. To obtain the model parameters and the calibration of the model is necessary to use static triaxial tests in load-unload-reload cycles. The model is coded in FORTRAN programming language and subsequently inserted into a UMAT subroutine of ABAQUS software. With the developed and implemented constitutive law is possible to conclude that: the Continuum Damage Mechanics theory could be applied to study the elasto-plastic-damage behavior of fiber reinforced soils; the damage measure is based on the elastic modulus variation through load-unload-reload cycles in triaxial tests; the adoption of a macroscopic damage measurement facilitates its utilization in geotechnical projects computational modelling and was demonstrated its applicability for computational modeling of the phenomena associated in geotechnical projects.