Aplicação de diferentes modelos peridinâmicos na simulação do processo de dano em materiais quase-frágeis

Abstract

O processo de dano em materiais quase-frágeis é um fenômeno complexo e que acontece em diferentes escalas de comprimento. Este processo de degradação do material engloba a propagação, interação e coalescência de microfissuras e vazios para formar uma macro trinca, resultando na falha da estrutura. Mecanismos de tenacificação influenciam na forma e no crescimento da trinca principal, propiciando assim o surgimento de fenômenos típicos como a localização e o efeito de escala. Devido ao aumento da utilização em diversas áreas de materiais como concreto, rochas e polímeros reforçados com fibras, torna-se necessário compreender melhor o fenômeno da fratura e formas para a predição da falha em materiais quase-frágeis. Neste contexto, a presente Tese tem por objetivo o estudo do processo de dano em materiais quase-frágeis utilizando diferentes modelos Peridinâmicos. A teoria Peridinâmica é uma reformulação da mecânica clássica do contínuo, onde as equações são escritas na forma de integrais de força ao invés de equações diferenciais parciais. Dessa forma, a teoria é adequada para lidar com problemas envolvendo a transição do contínuo para o descontínuo. No entanto, no contexto de materiais quase-frágeis, a aplicação da peridinâmica na simulação do processo de dano destes materiais é incipiente e ainda carece de maiores estudos. Dessa forma, esta tese apresenta três modelos peridinâmicos para a simulação de materiais quase-frágeis que levam em conta diferentes mecanismos de dano e a ação de cargas estáticas e cíclicas. Tais modelos são validados utilizando diferentes campanhas experimentais disponíveis na literatura. Os resultados mostram que os modelos propostos são capazes de capturar as características intrísecas de materiais quase-frágeis como a iniciação, propagação e o comportamento de softening pós-pico. Em relação a ação de cargas cíclicas, o modelo é capaz de capturar os expoentes da lei de Paris, típico de materiais quase-frágeis. Além disso, as configurações de rupturas observadas numericamente estão em boa concordância com aquelas observadas experimentalmente.

The damage process in quasi-brittle materials is a complex phenomenon that occurs at different length scales. This material degradation process encompasses the propagation, interaction and coalescence of microcracks and voids to form a macrocrack, resulting in failure of the structure. Toughening mechanisms influence the shape and growth of the main crack, thus providing the emergence of typical material phenomena such as the localization and scale effect. Due to the increased use of materials such as concrete, rocks and fiber reinforced polymers in several areas, it becomes necessary to better understand the fracture phenomenon and ways to predict failure in quasi-brittle materials. In this context, this Thesis aims to study the damage process in quasi-brittle materials using different Peridynamic models. Peridynamic theory is a reformulation of classical continuum mechanics, where the equations are written in the form of force integrals rather than partial differential equations. In this way, such a theory is adequate to deal with problems involving the transition from continuous to discontinuous. However, in the context of quasi-brittle materials, the application of peridynamics in simulating the damage process of these materials is incipient and still needs further studies. Thus, this thesis presents three peridynamic models for quasi brittle materials that take into account different damage mechanisms and the action of static and cyclic loads. Such models are validated using different experimental campaigns available in the literature. The results show that the proposed models are able to capture the intrinsic characteristics of quasi-brittle materials such as initiation, propagation and post-peak softening behavior. Regarding the action of cyclic loads, the model is able to capture exponents of the Paris law, typical of quasi-brittle materials. Furthermore, the numerically observed rupture configurations are in good agreement with those observed experimentally.