Simulação computacional por elementos finitos de múltiplas fissuras em sólidos usando técnica de fragmentação da malha

Abstract

The study of the crack process has been a subject of increasing interest over the past few years. The behavior of various materials such as concrete, masonry, rocks, soils and biomaterials, are governed by the effects arising from the formation of cracks. In the context of finite element methods the formation and propagation of cracks in the interior of the finite elements can be described via finite elements with embedded discontinuities or Generalized Finite Element Method (G-FEM). Both methods require techniques to track the crack path during the analysis. These techniques are relatively simple in representing few cracks in 2D analyses but can be very complex and even unsuitable for multiple cracks and for tridimensional problems. The present work aims to use the mesh fragmentation technique to insert special interface elements between regular elements of the mesh. These interface elements represent the failure process in quasi-brittle materials, where the interface is simulated using finite elements with a high aspect ratio. The constitutive model of the interface elements are compatible with the strong discontinuity regime. The methodology is very attractive, because it avoids the necessity of crack tracking schemes. A comprehensive study of the objectivity of the solutions obtained with the proposed methodology was done thoruhg the analysis of different cases, with different meshes, varying the size and orientation of the finit elements. The results indicated that the technique is able to adequately represent the process of cracking, generating structural responses and crack patterns similar to the experimental ones. The use of unstructured meshes are more appropriate since they to not present alignments that may induce crack propagatio trajectories deviating from the correct ones

O estudo do processo de fissuração tem sido um tema de crescente interesse ao longo dos últimos anos. O comportamento de muitos materiais, tais como o concreto, alvenaria, rochas, solos e biomateriais, são regidos pelo efeitos decorrrentes da fissuração. No contexto do Método dos Elementos Finitos, a formação e propagação de fissuras on interior dos elementos finitos podem ser descritas por meio de elementos finitos com descontinuidades incorporadas ou pelo Método dos Elementos Finitos Generalizados (MEFG). Contudo, ambos os métodos necessitam de algoritmos de construção da trajetória das fissuras. Estas técnicas são relativamente simples para representar poucas fissuras em análises bidimensionais, mas podem ser muito complexas e mesmo inviáveis para problemas tridimensionais. O presente trabalho desenvolve uma metodologia que consiste na fragmentação da malha de elementos finitos convencionais e introdução de elementos de inferface entre os elementos regulares da malha original. Esses elementos de interface representam o processo de falha de materiais quase-frágeis, onde a interface é simulada utilizando elementos finitos de elevada razão de aspecto munidos de relações constitutivas consistentes com o regime de descontinuidade forte. A metodologia é bastante atrativa, pois permite a representação de múltiplas fissuras sem a necessidade de algoritmos de reconstrução adaptativa da malha ou técnicas de construção da trajetória da fissura. O estudo sobre a objetividade das soluções obtidas com a metodologia em desenvolvimento foi feito através da análise de diferentes casos, com diferentes malhas, variando-se o tamanho e orientação da malha. Os resultados obtidos indicaram que a técnica é capaz de representar o processo de fissuração gerando respostas estruturais e padrões de fissuras similares aos experimentais. O uso de malhas não estruturadas são mais indicadas para obter-se independência com...