Aplicação do método dos elementos discretos (DEM) formado por barras na simulação de processos de ruptura de materiais quase frágeis

Resumo

Neste trabalho, uma versão do Método dos Elementos Discretos, formados por barras, (do inglês DEM) será aplicada na simulação do processo de fratura em materiais quase frágeis. O DEM formado por barras é um método que consiste em representar o meio contínuo através de um arranjo regular de barras de treliça. As massas são concentradas nos nós e a rigidez das barras representa o comportamento da porção do contínuo que se deseja modelar. O balanço energético é levado em conta durante todo o processo de fratura. Através de ensaios laboratoriais é possível determinar as propriedades dos materiais bem como seu comportamento quando submetidos a esforços. Após a aquisição destas características procura-se utilizar o material na aplicação que melhor adequar-se ao seu desempenho. Em materiais quase frágeis, um fator que pode influenciar nos ensaios laboratoriais é o tamanho da amostra a ser testada, esse fenômeno é denominado efeito de escala, e relaciona o tamanho estrutural com a resistência de ruptura do material. O principal foco deste trabalho é analisar o efeito de escala em espécimes de materiais quase frágeis no contexto do DEM para obter uma melhor compreensão dos processos de fratura a partir da lei constitutiva de Hillerborg. Também é possível analisar, em paralelo, a quantificação do dano anisotrópico assim como sua localização durante o processo de falha nessas amostras, bem como a variação da superfície de falha e sua evolução com alterações dimensionais. A utilização do DEM na simulação do processo de fratura em materiais quase frágeis proporcionou a possibilidade de realizar a representação dessa fratura desativando as barras que atingiram seus limites de resistência, resultando assim em uma operação bastante simples. Devido a isto ocorreu uma redução de 57% no tempo de simulação em comparação com métodos clássicos para resolução de problemas na área da mecânica da fratura. Além disso, houve a redução de 20% nos custos do projeto final devido ao aumento das simulações realizadas, o que implicou na diminuição dos ensaios laboratoriais que eram necessários para verificar o efeito de escala em materiais quase frágeis. Sendo assim, a simulação correta do efeito de escala diminui os recursos econômicos e os equipamentos necessários para a realização de testes e ensaios, sendo possível também comprovar a eficiência e segurança de estruturas mais complexas ou com estados de carregamentos combinados.