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Tipo: Dissertação
Título: Fraturamento coesivo de materiais quase-frágeis usando elementos de interface
Autor(es): Araújo, Flavia Cristyna Oliveira
Orientador: Araújo, Tereza Denyse Pereira de
Palavras-chave: Modelo da Zona Coesiva;Elementos de Interface;Lei de Amolecimento Linear;Lei de Amolecimento Exponencial;Modo Misto
Palavras-chave em português: Mecânica da fratura;Patologias na construção civil;Método dos elementos finitos;Fratura frágil
Palavras-chave em inglês: Fracture mechanics;Pathologies in civil construction;Finite element method;Brittle fracture
CNPq: CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA CIVIL
Data do documento: 2014
Citação: ARAUJO, Flávia Cristyna Oliveira Araújo. Fraturamento coesivo de materiais quase-frágeis usando elementos de interface. 2014. 92 f. Dissertação (Mestrado em Engenharia Civil - Estruturas e Construção Civil)-Centro de Tecnologia, Universidade Federal do Ceará, Fortaleza, 2014.
Resumo: O estudo de estruturas fraturadas vem sendo largamente analisado através de teorias da Mecânica da Fratura tradicionais. Entretanto, alguns materiais possuem comportamento que não são descritos corretamente por essas teorias, como os materiais quase-frágeis. Logo, surgiram novos modelos capazes de englobar fenômenos inerentes a esses materiais, como o Modelo da Zona ˆ Coesiva. Tal modelo e capaz de descrever de forma mais simples e adequada as zonas de fraturamento, visto que resume todas as trincas em uma única entidade, abrange fenômenos como transferência de tensão entre as faces durante a propagação da trinca e permite que as mesmas ˜ surjam sem a presença de uma trinca pré-existente. Com o Método dos Elementos Finitos, o ´ MZC e aplicado através do uso de elementos de interface, regidos pelas leis constitutivas coesivas, que representam o comportamento da trinca ate haver uma abertura completa da mesma, ´ quando as forcas de tração coesivas entre as faces s ˜ ao nulas. As leis coesivas podem ser representadas por inúmeras formas de curvas, como a linear, trapezoidal e exponencial, todas ´ relacionando as tensões e os deslocamentos relativos. Os modelos constitutivos resultantes do ˜ MZC ainda podem se diferenciar conforme a carga aplicada, visto que esta pode acarretar uma abertura perpendicular a direção da carga (modo I), deslizamento das faces (modo II) ou deslizamento fora do plano (modo III), ou ainda uma composição de mais de um dos modos (modo ˜ misto). Apresentar um programa computacional para analisar esses problemas de fraturamento em materiais quase-frágeis e o objetivo do presente trabalho. Logo, o MZC ´ e incorporado ´ ao programa CAP3D, baseado no MEF, através da implementação de elementos de interface ˜ bidimensionais de espessura nula. Através da n ´ ao linearidade física, as leis coesivas de amolecimento linear e exponencial são implementadas como modelos constitutivos destes elementos. ˜ A lei de amolecimento linear e empregada na formulação de dois destes modelos, o primeiro ˜ visa aplicações apenas no modo I e o segundo pode ser aplicado tanto aos modos I e II puros ˜ quanto ao modo misto (modos I e II), assim como o modelo empregando a lei de amolecimento exponencial. Os modelos são aplicados a exemplos conceituados na literatura, como o DCB ˜ e SEN(B), utilizando as propriedades dos materiais quase-frageis. Os modelos também foram ´ submetidos a um estudo paramétrico, empregando o número de pontos de integração, escolha de ˜ método de solução, tens ˜ ao resistente e energia de fraturamento da interface e rigidez inicial. Os ˜ resultados levam a conclusão que o MZC ˜ e sensível e suscetível a mudanças nas propriedades dos materiais ou da geometria do problema.
Abstract: Crack nucleation and propagation in brittle structures has been widely analyzed through traditional theories of Fracture Mechanics. However, fracture behavior of a certain class of materials dubbed quasi-brittle cannot be reasonably assessed by such theories. Therefore, models capable of describing phenomena inherent to these materials have emerged, e. g. the Cohesive Zone Model. This model can describe the fracture process zone in a simple and adequate way, since it summarize all cracks in a main cohesive crack, embrace phenomena as stress transference between the crack faces during crack propagation and allow for the cohesive crack to develop even without preexisting macrocracks. Using the Finite Element Method, the CZM is applied as cohesive laws inside constitutive models through interface elements. These constitutive models represent the crack behavior until its complete opening, when cohesive tractions between the crack faces become zero. The cohesive laws can be represented by several curves, called softening curves, that connect traction and relative displacement. Among many possible formulations, the linear, trapezoidal and exponential curves are often used. Besides deciding on the softening curve shape, one also needs to decide which fracture modes are going to be considered. This in turn depends on which load types are acting on the crack faces. The possible modes are the tensile normal opening of the crack faces (mode I), in-plane shearing (mode II), out-of-plane shearing (mode III) or a composition of two or more of them (mixed mode). The objective of this research work is to formulate and implement analysis methods for quasibrittle materials based on the cohesive zone method in an academic software based on the Finite Element Method (FEM). In order to provide the framework for such implementations, a zerothickness two-dimensional interface finite element was first incorporated in the code, followed by both linear and exponential initially rigid softening cohesive laws. Both models are capable of dealing with fracture modes I and II, both in isolation and combined. They were applied to renowned examples dealing with quasi-brittle materials in the literature, such as DCB and SEN(B). The models were put to the test through an extensive parametric study, including number of integration points, interfacial strength and fracture toughness, initial stiffness and choice of path-following method. Results lead to the conclusion that the CZM is sensitive and susceptible to changes in both material properties, boundary conditions and loading configuration.
Descrição: Este documento está disponível online com base na Portaria no 348, de 08 de dezembro de 2022, disponível em: https://biblioteca.ufc.br/wp-content/uploads/2022/12/portaria348-2022.pdf, que autoriza a digitalização e a disponibilização no Repositório Institucional (RI) da coleção retrospectiva de TCC, dissertações e teses da UFC, sem o termo de anuência prévia dos autores. Em caso de trabalhos com pedidos de patente e/ou de embargo, cabe, exclusivamente, ao autor(a) solicitar a restrição de acesso ou retirada de seu trabalho do RI, mediante apresentação de documento comprobatório à Direção do Sistema de Bibliotecas.
URI: http://repositorio.ufc.br/handle/riufc/78584
Currículo Lattes do(s) Autor(es): http://lattes.cnpq.br/8374055532085689
ORCID do Orientador: orcid logo https://orcid.org/0000-0001-6750-1131
Currículo Lattes do Orientador: http://lattes.cnpq.br/3344676697083200
Tipo de Acesso: Acesso Aberto
Aparece nas coleções:DECC - Dissertações defendidas na UFC

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