Numerical analysis of concrete fracture in mode i and mixed mode using joint element

Dissertação (mestrado)—Universidade de Brasília, Faculdade de Tecnologia, Departamento de Engenharia Civil e Ambiental, 2017.Devido à composição heterogênea do concreto, esse material apresenta uma grande variedade de comportamentos, dependendo da forma como é carregado, bem como da geometria da peça. Em virtude disso, torna-se importante o desenvolvimento de estudos numéricos com objetivo de complementar a compreensão desse material. O Método dos Elementos Finitos (MEF) possui grande versatilidade para simular fenômenos físicos, sendo por esse motivo, bastante empregado no estudo do comportamento mecânico de estruturas de concreto. Em vista disso, este trabalho objetiva formular e implementar, por meio do MEF, um modelo 2D baseado na plasticidade para simular a fissuração do concreto no modo I e modo misto (I+II). Para tanto, o modelo faz uso dos conceitos da mecânica da fratura para materiais quase frágeis aplicados a elementos de junta interpostos entre os elementos da malha. Tal modelo funciona por meio da “abertura” dos elementos de junta, simulando, assim, a fissuração no concreto. Isso permite a visualização, após a análise, das descontinuidades obtidas pela separação física dos elementos finitos. Isto representa uma vantagem significativa, uma vez que permite a comparação dos padrões de fissuração obtidos com ensaios experimentais. A validação do modelo se deu por meio de comparações com resultados experimentais com diferentes modos de falha. Os resultados numéricos obtidos foram satisfatórios quando comparados com os experimentais. Verificando, assim, que o modelo implementado é capaz de simular adequadamente a fissuração em peças de concreto.Due to the heterogeneous composition of concrete it presents a wide range of behaviors, depending on how loading are applied, as well as the geometry of the structure. Thus, the development of numerical model to better understand this material becomes important. The Finite Element Method (FEM) has shown great versatility to simulate physical phenomena, for that reason it is often used to model the mechanical behavior of concrete. Due to this fact, this dissertation aims to formulate and implement through the FEM a two-dimensional model based on plasticity in order to simulate concrete cracking in mode I and mixed mode (I + II). The model makes use of concepts of fracture mechanics, for quasi-brittle materials and joint elements placed between finite elements. Such model works through the "opening" of joint elements, thus, simulating concrete cracking. This allows, after analysis, to identify the discontinuities by means of a physical gap between elements. It represents a significant advantage against smeared crack models, since it allows the comparison of numerical and experimental cracking patterns. The model was validated by comparison with experimental results with different failure modes. Data numerical results were in good agreement when compared with experimental data, thus, verifying the proposed model is able to simulate properly cracking in concrete specimens