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This paper focuses on the use of the agglomerate technique to simulate crushable particles in the Discrete Element Method. A novel approach is proposed to design a Weibullian agglomerate by mimicking flaws within the crushable particle. The particle is designed with a constant number of sub-spheres in contrast to the approach widely used in the literature. However, the adhesion bonds between sub-spheres within the particle are selected randomly from a normal distribution. The normal distribution is designed to generate negative adhesion values, which are replaced by zero adhesion to mimic flaws within the particle. It is shown that the particle designed in this fashion exhibits a tensile strength that follows the Weibull probability function. This includes the effect of particle size that is remarkably captured quantitatively. Finally, a simple method is proposed to derive the parameters of the adhesion normal distribution from the Weibull parameters determined experimentally on single particle diametral compression tests.

O Método dos Elementos Discretos (DEM) aparece como um dos métodos mais atraentes para entender problemas geotécnicos gerais e especificamente o comportamento de rochas devido às suas vantagens únicas em lidar com processos de fraturamento. Neste trabalho, foram feitas modelagens de ensaios de compressão simples e de tração indireta relativos a uma rocha magmática, conhecida como granito Lac du Bonnet, com base em uma abordagem discreta, utilizando o DEM e um modelo específico de contato e de cimentação entre grãos. Concluindo, foi realizada uma análise paramétrica da influência do módulo de Young em algumas propriedades macroscópicas do modelo numérico da rocha, visando gerar contribuições no entendimento do comportamento de resistência e de deformabilidade de rochas duras. The Discrete Element Method (DEM) appears as one of the most attractive methods for understanding general geotechnical problems and specifically the behavior of rocks due to their unique advantages in dealing with fracturing processes. In this work, unconfined compression and indirect tensile tests were performed for a magmatic rock, known as Lac du Bonnet granite, based on a discrete approach using DEM and a specific contact and cementation model between the particles. Concluding, a parametric analysis of the influence of Young's modulus on some macroscopic properties of the rock’s numerical model was carried out, with the objective of generating contributions as to the understanding of the deformability and strength behavior of hard rocks.

RESUMO A reciclagem é um tema que vem ganhando bastante espaço em diversas áreas da engenharia. Quando se reaproveita um material em obras civis, indiretamente se está contribuindo para a preservação da natureza. Dentro deste contexto, a reciclagem de revestimentos asfálticos é um assunto que desperta grande interesse, mas que requer estudos mais aprofundados. Desta forma, o presente trabalho tem como objetivo estudar os efeitos de produtos rejuvenescedores no comportamento de ligante asfáltico envelhecido, visando sua aplicação em reciclagem de revestimentos de pavimentos rodoviários. Para tanto, inicialmente foi extraído ligante residual e em seguida foram adicionados rejuvenescedores a base de alcatrão (RejuvaSeal) e outros a base de óleo de xisto, conhecidos comercialmente com AR-5, AR-250 e AR-500, nas taxas de 15, 20 e 25%, de modo a verificar qual teor seria apropriado para recuperar as características originais do ligante. Entre as diversas conclusões obtidas neste trabalho tem-se que a mistura contendo 20% de AR-5 apresenta o melhor comportamento quando comparada a um ligante asfáltico novo (CAP 50-70). As análises químicas e ambientais mostraram que a reciclagem de material fresado de revestimento asfáltico utilizando rejuvenescedor é uma solução tecnicamente possível e ambientalmente correta para pavimentação. ABSTRACT Recycling is a topic that has been gaining enough space in various areas of engineering. When reuses material in civil works, indirectly it is contributing to the preservation of nature. Within this context, the recycling of asphalt coatings is a subject that arouses great interest, but that requires further study. Thus, this paper aims to study the effects of rejuvenating products on aged asphalt binder behavior, for their application in recycling road surface coatings. Therefore, it was initially extracted residual binder and then were added rejuvenating tar base (RejuvaSeal) and other shale oil based commercially known AR-5, AR-250 and AR500, at rates of 15, 20 and 25%, in order to see which content would be appropriate to recover the original characteristics of the binder. Among the many findings from this study is that the mixture containing 20% of AR-5 shows better behavior when compared to a new asphalt binder (CAP 50-70). The chemical and environmental analysis showed that the recycling of material milled using rejuvenating asphalt layer is a technically feasible solution for flooring and environmentally friendly.

The crumb rubber used to produce asphalt rubber binders can be obtained either through the ambient grinding or the cryogenic processes. The final product obtained usually presents significant differences which influence the physical properties of asphalt rubber binders and, consequently, the mechanical properties of the asphalt rubber hot mixes produced with these modified binders. The objective of the study presented in this paper is to learn about the influence that the type of crumb rubber used to produce asphalt rubber binders has on the mechanical properties of dense graded asphalt hot mixes. Asphalt rubber binders were produced with a 21% of crumb rubber obtained through the ambient grinding and cryogenic processes. The dense graded asphalt hot mixes were produced with asphalt rubber and straight binders for comparison. The tests used to evaluate the mechanical properties were: a) tensile strength; b) fatigue life; c) resilient modulus and d) permanent deformation (RSST-CH,). The results show that the most significant difference in relation to the mechanical behavior of the asphalt rubber hot mixes tested was the resistance to permanent deformation which was enhanced by the use of crumb rubber obtained through the ambient grinding process.

Asphalt rubber binders are produced by mixing crumb rubber obtained from ground used tires with a straight run binder at high temperatures during a period of time named as digestion time. This is one of many variables that influence the physical properties of asphalt rubber produced by wet process. Thus, the objective of this paper is to evaluate how many mechanical properties of gap-graded hot mixes produced with asphalt rubber binder are influenced by the digestion time used to produce this modified binder. The asphalt rubber binders were produced by incorporating 21% in weight of crumb rubber into a straight run binder at 210 C. The digestion limes used were 60 and 300 minutes. These asphalt rubber binders were used to produce gap-graded hot mixes which were submitted to tensile strength, fatigue life, resilient modulus and permanent deformation tests. The results show that the increase of digestion time used to produce asphalt rubber binders led to a decrease of tensile strength, resilient modulus and permanent deformation However there was a significantly increase of fatigue life of asphalt hot mixes studied.

Fatigue life of asphalt hot mixes is given as a function of both stiffness and tensilestrains induced in the bottom of the wearing courses of flexible pavements. In conventional as-phalt hot mixes the increase of stiffness leads to a decrease of fatigue life. However, this work shows that there is an increase of both fatigue life and stiffness of asphalt rubber hot mixes in comparison with the asphalt hot mixes produced with straight binders. In this work laboratory tests were performed in asphalt hot mixes with dense and gap gradation produced with straight binder (AC 50/70) and asphalt rubber binder manufactured by the wet process. Resilient mod-ulus and fatigue life tests under four point bending procedure were used to determine the me-chanical behavior of studied mixtures. The results show that the use of asphalt rubber binder produced an increase of both fatigue life and stiffness of the studied mixtures.

Asphalt rubber is a material produced by the incorporation of crumb rubber obtained from ground tires in straight asphalt and its properties are influenced by the components properties. The crumb rubber gradation is one of the variables which have a significant influence on asphalt rubber properties. Thus, this work studies the influence of crumb rubber gradation on the asphalt rubber properties expressed by penetration, rotational viscosity (using the Brookfield viscometer), resilience and softening point. Test samples were produced with a 50/70 penetration grade straight asphalt and a crumb rubber obtained by the grinding process which basically consists in a tearing and crushing the old tires at ambient temperature. The digestion time was 60 minutes and the digestion temperature was 170 ºC. The results show that the rotational viscosity and the resilience are the properties most affected by the crumb rubber. It was also observed that the increase of the crumb rubber specific surface (fine crumb rubber) produces asphalt rubber with higher viscosity and lower resilience. The use of coarse crumb rubber influences mainly the resilience., Brasil. Ministério da Educação. Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)., Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPQ).

o comportamento mecânico e funcional dos pavimentos flexíveis depende de vários fatores, dentre os quais, podem-se citar as características das misturas asfálticas empregadas nas suas camadas de revestimento. O desempenho mecânico das misturas asfálticas é função dos seus materiais constituintes, mais especificamente do ligante asfáltico e dos agregados minerais utilizados, enquanto o desempenho funcional está ligado à distribuição granulométrica dos agregados. Dentre as misturas asfálticas do tipo concreto betuminoso usinado a quente (CBUQ) empregadas no Brasil destacam-se as misturas de graduação contínua, largamente utilizadas, especialmente aquelas com curva granulométrica definida pela Especificação de Serviço 313/97, do extinto DNER, como faixa C. Em geral estas misturas se caracterizam por apresentar um bom desempenho mecânico e uma textura muito fechada, com baixos valores para a percentagem de vazios, sendo, entretanto, misturas que apresentam problemas com relação a sua macro-rugosidade. Este trabalho tem por objetivo apresentar um estudo comparativo entre uma mistura asfáltica com granulometria contínua, enquadrada na faixa C do DNER, e uma mistura de graduação descontínua. Para a confecção destas misturas foi empregado um ligante asfáltico convencional classificado por penetração como CAP 50/70 e agregados minerais provenientes de rocha granítica. Para o desenvolvimento deste estudo comparativo, as misturas asfálticas foram dosadas segundo a metodologia Marshall, e em seguida submetidas a ensaios para a determinação da resistência à tração, módulo resiliente, vida de fadiga e resistência às deformações permanentes. Os resultados mostraram inicialmente que para as misturas de graduação descontínua foi observada a diminuição da percentagem ótima de ligante determinada no estudo de dosagem. Em relação aos ensaios mecânicos não foram observadas diferenças significativas para a resistência à tração por compressão diametral e módulo resiliente das misturas de graduação contínua e descontínua. Para a vida de fadiga e a resistência às deformações permanentes, os resultados mostraram que a mistura com graduação descontínua apresentou um comportamento superior ao da mistura com graduação contínua. Os resultados apresentados neste trabalho permitem deduzir que é possível o emprego de uma mistura com melhores características de macro-rugosidade, aumentando assim o atrito pneu-pavimento, e conseqüentemente as condições de segurança de rolamento das rodovias, sem que ocorram prejuízos em termos de desempenho mecânico., The mechanical and functional behaviors of flexible pavement depend on several factors, such as, the characteristics of asphalt hot mixes employed in their surface courses. The mechanical performance of asphalt hot mixes is a function of its constituent materiaIs, which are the asphalt binder and mineral aggregates, while the functional performance is influenced by the grain size distribution of aggregates. In Brazil, the asphalt hot mixes with dense gradation are commonly used, especially those with grain size distribution defined as gradation envelope C by Specification DNER ES-313/97. In general, these types ofmixtures present good mechanical performance, but due its smooth texture, with low void contents, problems related with skid resistance are frequently observed. The aim of this paper is to present a comparative study between a dense mix, in the middle of gradation envelope C ofDNER ES-313/97, and a gap graded asphalt hot mix. In this study, a straight asphalt binder classified by penetration as AC 50/70 and mineral aggregates obtained from granite stone were used. The optimal binder contents of the asphalt hot mixes studied were determined using the Marshall methodology, and its mechanical properties were determined by tensile strength, resiliente modulus, fatigue life and permanent deformation tests. The design procedure showed that the gap graded mixes present lower optimal binder content than those with dense gradation. With respect to mechanical properties, no significant difference between the tensile strength and resiliente modulus of gap and dense graded asphalt mixtures was observed. In relation to fatigue life and permanent deformations, the gap graded mixes behaved better than the dense graded mixes. The results presented in this paper show that is possible to use gap graded asphalt mixtures in substitution to dense graded mixes without loss in mechanical properties, and with additional advantage of increasing tire-pavement friction and consequently of the skid resistance of pavement., Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CADES), Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPQ)

Os asfaltos-borracha são materiais obtidos pela incorporação de uma borracha granulada reciclada de pneus usados a um ligante asfáltico convencional. O processo de mistura entre estes dois materiais ocorre sob determinadas condições de tempo e temperatura que influenciam diretamente o comportamento do produto obtido, ou seja, do asfalto-borracha. Em geral não existem parâmetros pré-definidos para a escolha do tempo, e principalmente da temperatura empregada na fabricação dos asfaltos-borracha, sendo estes parâmetros normalmente adotados em função da experiência de cada produtor de asfalto-borracha, ou em função das limitações dos equipamentos disponíveis. Sendo assim, este trabalho tem por objetivo apresentar um estudo sobre a influência da temperatura de digestão empregada na fabricação dos asfaltos-borracha obtidos pelo processo úmido [1], tanto nas propriedades físicas dos asfaltos-borracha, medidas por meio de ensaios laboratoriais convencionais (penetração, viscosidade rotacional, ponto de amolecimento e resiliência), como nas propriedades mecânicas (resistência à tração, módulo resiliente, vida de fadiga e resistência às deformações permanentes) das misturas asfálticas produzidas com estes materiais. Os resultados mostraram que em geral o aumento da temperatura tende a produzir ligantes com maior capacidade de recuperação elástica e maior ponto de amolecimento, resultando em uma melhoria das propriedades relacionadas à flexibilidade, resistência ao trincamento por fadiga e resistência às deformações permanentes das misturas asfálticas produzidas., Asphalt rubber binders are obtained incorporating crumb rubber recycled from ground used tires into a straight binder. The process of manufacturing of asphalt rubber binders occurs under conditions of time e temperature that influenced the properties of these materials. In general, there aren’t criteria for the choice of time and temperature to be used on the manufacturing of asphalt rubber binders, being these parameters defined in function of experience of each manufacturer, or in function of equipments used to produce these modified binders. The aim of this paper is to present a study about the influence of temperature of digestion used in the manufacturing process of asphalt rubber binders, obtained by the wet process [1], such on their physical properties (penetration, rotational viscosity, softening point and resilience), as on the mechanical properties (tension strength, fatigue life, resilient modulus, permanent deformations) of asphalt rubber hot mixes. The results obtained show that, in general, the increase of temperature of digestion produce modified binders with higher elastic recovery and softening point, improving the mechanical properties of asphalt hot mixes produced related to flexibility, resistance to cracking and permanent deformations.

The modification process of hot mix asphalts in which crumb rubber is initially mixed with the mineral aggregates before the addition of the binder is known as dry process. This process has as main advantages the use of conventional mixing plants and, at least in principle, has no limitation of the incorporated rubber content. The aim of this paper is to study the influence of the incorporated crumb rubber content in the mechanical behavior of dense graded mixes ( grade envelope C of Brazilian specification DNER-ES 313/97). For this purpose, laboratory tests were carried out to determine the main properties to be used in numerical analyses of a structure of flexible pavement executed with that type of asphalt mixture. The mechanical properties of asphalt hot mixes used in the numerical analysis were determined by laboratory tests (stiffness modulus and fatigue life). The studied asphalt hot mixes were produced with a crumb rubber obtained by the milling process at ambient temperature and a straight binder AC 50/70 (classification by penetration). The incorporated rubber content varied from 2% up to 3,6% in relation to the mineral aggregate mixture. For the sake of comparison, a conventional asphalt mixture produced with straight binder AC 50/70 and an asphalt-rubber hot mix produced by wet process were also studied. The results showed that the asphalt hot mixes modified with crumb rubber by dry process presented a significant improvement in terms of mechanical behavior in relation to conventional asphalt hot mixes, especially in terms of increase of fatigue life, as can be observed in the numerical analysis performed., Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)., Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPQ)., Cepsa., Biosafe., Bezerras Ltda.

O processo de modificação das misturas asfálticas no qual a borracha granulada é inicialmente misturada ao agregado mineral previamente aquecido para então ser adicionado o ligante asfáltico convencional é conhecido como processo seco. Este processo tem como principais vantagens a utilização de instalações de usinagem simples e a não limitação do teor de borracha incorporada. Este trabalho tem como objetivo estudar a influência do teor de borracha incorporada às misturas de graduação densa (faixa C da especificação DNER-ES 313/97) através de ensaios de resistência à tração, módulo resiliente e resistência às deformações permanentes. As misturas asfálticas estudadas foram confeccionadas com uma borracha granulada obtida pelo processo de moagem a temperatura ambiente e um ligante asfáltico convencional classificado por penetração como CAP 50/70. Os teores de borracha incorporada utilizados variaram de 2% a 6% em relação à mistura de agregados minerais. Para efeitos comparativos também foram estudadas uma mistura asfáltica convencional confeccionada com o ligante CAP 50/70 e outra confeccionada com um asfalto-borracha obtido pelo processo úmido. Os resultados dos ensaios mecânicos realizados mostraram que apesar dos problemas de compactação, que ocorreram para elevados teores de borracha incorporada, as misturas asfálticas modificadas com borracha apresentaram uma melhoria significativa em termos de flexibilidade. Com relação às deformações permanentes, os resultados mostraram que as misturas modificadas com borracha pelo processo seco apresentaram um desempenho equivalente ao da mistura convencional.

This paper shows the results of a study about the mechanical behavior of dense graded asphalt-rubber hot mixes (grading envelope C of DNER-ES 313/97) prepared with two different types of asphalt-rubber binders. These asphalt-rubber binders were obtained with penetration grade asphalt (AC 50/70) mixed with 21% and 25% of crumb rubber in weight. The rubber was recycled from unserviceable tires using the ambient grinding process. Hot mixes made with the conventional binder AC 50/70 were also studied for comparison. The mechanical behavior of hot mixes was evaluated through laboratory tests for fatigue life, permanent deformation and indirect tensile strength. The results showed that asphalt-rubber hot mixes presented better mechanical behavior for fatigue life and permanent deformation than those obtained with the straight binder.

Asphalt binders modified with crumb rubber recycled from ground tires have been successfully used in asphalt mixtures improving the mechanical and functional behaviour of the pavements. This paper shows the influence of several factors that affect the behaviour of asphalt-rubber (AR) and of hot mixes made with this material. Modified binders were prepared using a straight binder with 35/50 penetration and rubber obtained by the environmental process. Samples of asphalt-rubber were collected at different digestion time and temperature and conventional characterization tests were performed. Gap-graded hot mixes were prepared using 8% of modified AR binder and resilient modulus and fatigue tests were carried out. Tests with the modified binder showed a great influence of the rubber content, digestion time and temperature in the asphalt-rubber behaviour. The results of mechanical tests revealed that an increase of rubber content enhances fatigue life and decreases the resilient modulus of the asphalt mixes studied.

The behavior of asphalt binders modified with recycled crumb rubber depends on several factors, such as: rubber contents and type, temperature and time employed during the digestion process. This paper shows the results of a series of tests performed on asphaltrubber produced via the wet process. The tests included standard penetration, softening point, Brookfield viscosity and resilience. The results show that the limiting variable in the digestion process is the Brookfield viscosity. The influence of rubber type occurred especially in terms of Brookfield viscosity and softening point. There was a decrease in these properties for the asphalt-rubber binders produced with crumb rubber obtained by cryogenic process. Besides, the results show improvements in the modified binders properties, in terms of softening and resilience, when higher rubber content, temperature and digestion time are used.

Este trabalho consiste no estudo das propriedades físicas de ligantes modificados com borracha. Os principais parâmetros analisados são a influência do tipo de ligante e do tempo de digestão empregado, para um determinado teor de borracha e temperatura de digestão. Para o estudo das propriedades físicas dos asfaltos-borracha foram utilizados três tipos de ligantes convencionais diferentes CAP 35/50, CAP 50/70 e CAP 160/200. Para as amostras de asfalto-borracha foram realizados ensaios de caracterização convencionais de penetração, ponto de amolecimento, resiliência e viscosidade Brookfield. Os resultados obtidos nos ensaios de caracterização do asfaltoborracha mostram que a incorporação da borracha granulada aumenta consideravelmente o ponto de amolecimento, a viscosidade Brookfield e a resiliência destes ligantes. Os resultados indicam que a incorporação da borracha produz uma melhoria nas propriedades elásticas e no comportamento a elevadas temperaturas dos ligantes asfálticos produzidos.

Tendo em vista as principais características das rodovias brasileiras com altos níveis de deterioração e elevadas cargas por eixo, além de nossas condições climáticas, as misturas confeccionadas com asfalto-borracha apresentam um grande potencial de utilização. Este trabalho consiste no estudo do comportamento mecânico das misturas asfálticas confeccionadas com ligantes modificados com borracha granulada de pneus usados. Os principais parâmetros analisados são a influência do tipo de ligante e do tempo de digestão empregado, para um determinado teor de borracha e temperatura de digestão. Para tanto, foram confeccionadas misturas asfálticas com granulometria contínua (Faixa C do DNER), utilizando-se um asfalto-borracha obtido a partir de um cimento asfáltico de petróleo de penetração 50/70 e 21%, em peso, de borracha granulada. Para efeitos de comparação, também foram confeccionadas misturas asfálticas de granulometria contínua com o ligante convencional CAP 50/70. O comportamento mecânico das misturas asfálticas foi avaliado através de ensaios de fadiga, deformação permanente e resistência à tração indireta por compressão diametral. Os resultados obtidos mostram que as misturas asfálticas confeccionadas com asfalto-borracha apresentaram melhor desempenho mecânico que aquelas obtidas com o ligante convencional CAP 50/70, em termos de resistência à fadiga e deformações permanentes.

Dissertação (mestrado) — Universidade de Brasília, Faculdade de Tecnologia, Departamento de Engenharia Civil e Ambiental, 2022. Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES). Atualmente, observa-se um crescimento exponencial da construção dos sistemas de aerogeradores para obtenção de energia. Isto tem estimulado a realização de estudos para a construção de sistemas eficientes e viáveis para instalação em regiões com condições de vento desfavoráveis. Neste contexto, este trabalho visa analisar o comportamento solo-estrutura de sistemas eólicos instalados em regiões de clima tropical, por meio do método dos elementos finitos (MEF) tridimensional (software Plaxis 3D). Para isto, foi considerado o protótipo eólico EOL20, instalado no Laboratório de Infraestrutura (Infralab) da Universidade de Brasília (UnB), como parte do projeto “Otimização do modelo meteorológico BRAMS, com Validação Experimental, para Subsidiar Aperfeiçoamentos de Modelagens de Sistemas Eólicos”. O sistema é composto por uma fundação, em estaca única, assente em um perfil de solo tropical de Brasília. A interação solo-estrutura foi modelada para uma condição de carregamento horizontal estático, verificando o comportamento do sistema sem funcionamento. A influência dos parâmetros geométricos e do modelo constitutivo adotado para o solo, foi avaliada por análise paramétrica. Por meio desta, foi verificado como a distribuição de deslocamentos e esforços, na fundação, bem como o comportamento do maciço são influenciados pelo diâmetro e comprimento da estaca, pela inserção de um bloco, de diferentes geometrias, e a utilização dos modelos constitutivos Mohr Coulomb, Hardening Soil e Hardening Soil Small. Devido à capacidade do modelo Structured Sub-Loading Cam Clay de representar o comportamento dos solos tropicais de Brasília, o mesmo foi implementado como user-defined model, no Plaxis, para uso na análise numérica do problema aqui apresentado. Após implementação, o funcionamento do modelo foi verificado por meio da simulação de ensaios triaxiais drenados com consolidação anisotrópica (q/p=0,3) de amostras da argila porosa de Brasília. Os resultados foram comparados com os obtidos pela aplicação dos modelos propostos e com resultados experimentais. Neste contexto, o presente trabalho permitiu definir uma metodologia para modelagem numérica, pelo MEF, de um sistema eólico assente em um perfil de solo tropical, a previsão dos parâmetros a serem observados em análises mais complexas e a viabilização do uso de um modelo constitutivo que permite uma simulação mais realista do comportamento de solos tropicais estruturados The construction of wind turbine systems for obtaining wind energyhas been growing exponentially. This has encouraged studies for the construction of efficient systems and feasibleforinstallation in regions with adverse wind conditions. In this context, this work aims to analyze the soil-structure behavior of wind systems installed in tropical regions, usingthe three-dimensional finite element method(MEF)(Plaxis 3D software). For thispurpose, the windturbineprototype EOL20 was considered, installed in the Infrastructure Laboratoryof the University of Brasilia, as part of the"Optimization of the MeteorologicalModel BRAMS, with Experimental Validation to Support the Enhancement of Wind Systems Models”project. The system is composed of a single pile foundation laid on thetropical soil profileofBrasilia. The soil-structure interactionwas modeled for static horizontal loading condition, verifyingthe behavior without operation.To analyzethe influence of the geometric parametersand the type of constitutivesoilmodel, aparametric analysis was performed. The displacements and forces distributionsalong the pilewere obtained,as well as the behavior of the soil mass influenced by:the diameter and the relative length of the pile, the insertion of a block of different geometries and the use of Mohr Coulomb, Hardening Soil and Hardening Soil Small models. Due to the capacity of the Structured Sub-LoadingCam Clay model to represent the behavior of structuredsoils, it was implementedas user-definedmodel in Plaxis,for use in the numerical analysis of the problempresented herein. After that, the constitutive model was verified by the simulation of adrained triaxial tests withanisotropic consolidation (q/p=0.3)performed with the porous clay of Brasilia.The results were compared with those obtained by the otherproposed constitutive models and with experimental results, demonstrating its functionality. In this context, the present work allowedthe definition of a methodology for numerical modeling,byMEF,of a wind turbine systemon a tropical soil profile, the prediction of parameters to be observed in more complex analyses and the feasibility of using a constitutive modelthat allows a more realistic simulation of the behavior of structured tropical soils.

Tese (doutorado) — Universidade de Brasília, Faculdade de Tecnologia, Programa de Pós-Graduação em Geotecnia, 2016. O objetivo deste trabalho é investigar os mecanismos de alguns problemas geotécnicos submetidos a grandes deformações, e mais especificamente o cone de penetração e escorregamentos na área de estabilidade de taludes. O fenômeno de grandes deformações em Geotecnia pode ser observado em problemas de ensaios de campo como SPT, CPT, DMT; ensaios de laboratório como o ensaio de cone e de palheta; em aplicações práticas como a cravação de estacas e em encostas após a ruptura de um talude. Uma das principais limitações na prática da engenharia geotécnica é que as formulações tradicionais para o cálculo de estruturas dependem da hipótese de pequenas deformações. Na última década, com o aumento da capacidade computacional e surgimento de novos métodos numéricos, tornou-se factível a modelagem numérica de problemas de grandes deformações, gerando a possibilidade de estudá-los em maior detalhe. Este trabalho centra-se na aplicação do Método do Ponto Material (MPM). O MPM é uma ferramenta numérica que adota um esquema de discretização Euleriano-Lagrangiano, o que fornece um esquema sofisticado para resolver o balanço de momento linear quando se observam grandes deformações. O método foi aplicado à análise de ensaios de penetração de cone em laboratório e a problemas reais de escorregamentos de taludes com grandes movimentos de massa. Inicialmente, foram feitos ensaios diretos e indiretos de resistência ao cisalhamento em amostras de caulim. O programa de ensaios de laboratório inclui o ensaio de palheta, ensaio de cone, ensaio de compressão oedométrica e ensaio de compressão triaxial convencional. Como produto dos ensaios de laboratório, foram propostas algumas relações entre parâmetros de estados críticos e o ensaio de queda de cone. Também baseado nos ensaios de laboratório, o programa NairnMPM foi testado e calibrado para resolver problemas geotécnicos simples como o ensaio de cone e o colapso de uma coluna de solo. Depois disso e com o intuito de verificar a capacidade do MPM para resolver problemas de grande escala, foram simulados os escorregamentos de taludes na barragem de Vajont, na Itália, e na rodovia Tokai-Hokuriku, no Japão. Finalmente, foi testado o processo de modelagem do escorregamento de Alto Verde, na Colômbia, e as variáveis dinâmicas previstas no modelo foram usadas no cálculo de risco. Os resultados se ajustaram muito bem às observações de campo, destacando a potencialidade do MPM como ferramenta prática na modelagem de vários problemas de grandes deformações na engenharia geotécnica. The goal of this work is to investigate the mechanisms of various geotechnical problems subjected to finite strains, more specifically the fall cone test and run-out process during landslides. Large deformation phenomena may be observed in field testing such as SPT, CPT, DMT; laboratory testing such as fall cone test, mini-vane test, and practical problems such as pile driving and run-out process during landslides. The main limitations in the practice of geotechnical engineering are due to the fact that a wide number of design frameworks are based on the small strain hypothesis. In the last decade, with the increasing computational capacity and the development of novel numerical methods; solving large deformation models have become feasible. This fact allows studying in detail a wide number of phenomena in geotechnics. This work focuses on the application of the Material Point Method (MPM). The MPM is a numerical tool that adopts a Eulerian-Lagrangian scheme. Moreover, it allows a solid framework to solve the linear momentum balance when finite strains are observed. The method was used in the simulation of the fall cone test and real scale mass movements in landslides. Initially, direct and indirect shear strength measurements on kaolin clay were performed. The laboratory testing program included mini-vane shear test, fall cone test, oedometric compression, and conventional triaxial compression test. As a result of the laboratory testing, interesting relationships between the critical state parameters and the fall cone were established. Furthermore, NairnMPM open source code was tested and calibrated using the laboratory results to later solve simple geotechnical problems such as fall cone test and the collapse of a soil column. Afterwards, the possibility of simulating real-scale problems in landslides was addressed. The slope failure in Vajont, Italy, and Tokai-Hokuriku Expressway, Japan, were considered. Finally, the framework was tested in a landslide in Alto Verde, Colombia. The computed dynamic quantities were used in risk assessment of landslides. The results matched very well with field observations highlighting the potential of using MPM as a practical tool for modelling various problems involving large strains in geotechnical engineering.

Dissertação (mestrado)—Universidade de Brasília, Faculdade de Tecnologia, Departamento de Engenharia Civil e Ambiental, 2021. Neste trabalho, uma nova abordagem numérica baseada no Método dos Elementos Finitos com esquema de cálculo implícito, denominada Continuum Voronoi Block Model-CVBM, é proposta para representar o processo de fraturamento em rochas duras e também a ruptura de obras subterrâneas com elevadas tensões de campo. Nesse modelo, desenvolvido com o programa RS2, o meio rochoso é simulado por meio de um conjunto de blocos, formados por um mosaico Voronoi, unidos em suas interfaces por elementos de junta. Para confirmação da ferramenta, representou-se numericamente diferentes estudos de caso em escala de laboratório (granito Lac du Bonnet rosa e granito de Creighton) e de campo (túnel Mine-By e pilar de Creighton). Na escala laboratorial, o modelo provou ser robusto e descreveu relevantes macropropriedades da rocha em ensaios convencionais: tensão de iniciação de início de fratura, tensão de dano de fratura, resistência à compressão simples e triaxial, resistência à tração, Módulo de Young e coeficiente de Poisson. O modelo calibrado para laboratório serviu como base para um estudo de sensibilidade que analisou como as propriedades influenciam as respostas macroscópicas, gerando assim uma metodologia de calibração para os ensaios brasileiro e de compressão simples. Em escala de campo, o modelo foi capaz de representar de forma explícita o processo de deterioração do maciço, capturou a geometria de ruptura e os deslocamentos de convergência das escavações. Os estudos de casos reais embasaram o uso do CVBM para estudos paramétricos que buscaram avaliar a influência das famílias de descontinuidades no comportamento de obras subterrâneas profundas. Verificou-se que a presença de descontinuidades tende a promover um alívio de tensões devido ao cisalhamento entre elas. Consequentemente, a presença de descontinuidades no maciço com elevadas tensões in situ tende a favorecer integridade do maciço. Tais resultados evidenciam a potencialidade do CVBM e endossam seu uso para modelagem do comportamento de obras subterrâneas com elevadas tensões de campo. In this work, a new numerical approach based on the Finite Element Method and an implicit continuum formulation, called Continuum Voronoi Block Model-CVBM, is proposed to represent the fracturing process in hard rocks and also the rupture of underground works with high field stresses. In this model, developed with the RS2 program, the rock mass was simulated by a set of blocks, formed by a Voronoi mosaic, joined at their interfaces by joint elements. Different case studies were represented on a laboratory (Lac du Bonnet pink granite and Creighton granite) and field scale (Mine-By tunnel and Creighton pillar). The model proved to be robust on the laboratory scale and described the rock's relevant macro-properties in conventional tests: crack initiation stress, crack damage stress, simple and triaxial compression strength, tensile strength, Young's modulus and Poisson's ratio. The calibrated laboratory model served as the basis for a sensitivity study that analyzed how micro-properties influence macroscopic responses, thus generating a calibration methodology for Brazilian and UCS tests. On a field scale, the model represented the mass deterioration process explicitly, captured the rupture geometry, and the excavations' convergence displacements. The real case studies supported the use of CVBM for parametric studies that sought to assess the influence of discontinuity families on deep underground works' behaviour. It was found that the presence of discontinuities tends to promote stress relief due to shear. Consequently, discontinuities in the mass with high in situ stresses tend to favour excavation stability. Such results show the CVBM's potential for modelling the behaviour of underground works with high field stress.

Dissertação (mestrado)—Universidade de Brasília, Faculdade de Tecnologia, Departamento de Engenharia Civil e Ambiental, 2020. Os pavimentos flexíveis, ao longo de sua vida útil estão sujeitos a solicitações oriundas do tráfego, que causam deformações, gerando dano ao revestimento. Sendo as patologias mais recorrentes o trincamento por fadiga e a deformação permanente, cujo processo de fadiga está relacionado ao trincamento do revestimento asfáltico, devido o carregamento repetido, estando a fadiga relacionada a rigidez das misturas e do material. Assim, dada premissa dos deslocamentos e interligações geográficas no Brasil serem em maioria realizado pela matriz rodoviária, a necessidade de conceber pavimentos com melhor desempenho à fadiga é um tema relevante. E juntamente com a precisão de novas estruturas, surge a preocupação com o meio ambiente mediante a exploração de jazidas, demandando a adoção de técnicas sustentáveis, e menos poluentes para a pavimentação. Nesta perspectiva, a reciclagem de pavimentos traz a possibilidade de redução do quantitativo de exploração às jazidas de agregados minerais, com a utilização do RAP (Reclaimed Asphalt Pavement) em substituição matriz de agregados da mistura em até 100%. Logo, a presente pesquisa teve como foco estudar o comportamento da fadiga em misturas asfálticas recicladas à quente, utilizando agregado do tipo micaxisto, ligante CAP 50-70, e agente rejuvenescedor AR-5, com teores de 25, 45 e 100% de incorporação do RAP em substituição dos agregados. O processo de dosagem adotado conforme especificação Superpave, focou na análise de desempenho mecânico das misturas em aspectos de resistência, deformação, adesão e coesão. Os resultados obtidos, indicaram um bom desempenho das misturas recicladas. Nos ensaios de módulo resiliência e resistência a tração, foram observados proporcionalidade nos valores obtidos com incorporação de RAP, além da coesão e adesão atestada pelo dano por umidade induzida e desgaste cântabro serem satisfatórias. Constatou-se uma melhora no módulo dinâmico para misturas com maiores teores, isso se deve ao fato das misturas estarem mais rígidas. Devido a fadiga estar associada a rigidez, as misturas com maiores incorporações tenderam a uma menor vida de fadiga, estando a mistura com 25% de RAP com melhor comportamento. Sobretudo os resultados indicaram um bom desempenho mecânico das misturas asfálticas recicladas quente, comprovando a viabilidade na aplicação da técnica em obras de pavimentação. Flexible pavements, throughout their useful life, are subject to stresses arising from traffic, which cause deformations, causing damage to the coating. The most common pathologies are fatigue cracking and permanent deformation, whose fatigue process is related to cracking of the asphalt coating, due to repeated loading, with fatigue being related to the stiffness of mixtures and material. Thus, given the premise that displacements and geographical interconnections in Brazil are mostly carried out by the road network, the need to design pavements with better fatigue performance is a relevant topic. And along with the precision of new structures, concern with the environment arises through the exploitation of deposits, demanding the adoption of sustainable and less polluting techniques for paving. In this perspective, the recycling of pavements brings the possibility of reducing the amount of exploration to the deposits of mineral aggregates, with the use of RAP (Reclaimed Asphalt Pavement) in substitution matrix of aggregates of the mixture in up to 100%. Therefore, the present research focused on studying the behavior of fatigue in hot recycled asphalt mixtures, using mica shale aggregate, CAP 50-70 ligand, and AR-5 rejuvenating agent, with contents of 25, 45 and 100% of incorporation RAP instead of aggregates. The dosing process adopted according to the Superpave specification, focused on the analysis of the mechanical performance of the mixtures in aspects of strength, deformation, adhesion and cohesion. The results obtained, indicated a good performance of the recycled mixtures. In the tests of resilience module and tensile strength, proportionality was observed in the values obtained with the incorporation of RAP, in addition to the cohesion and adhesion attested by the damage caused by moisture and cannabinoid wear are satisfactory. There was an improvement in the dynamic module for mixtures with higher contents, this is due to the fact that the mixtures are more rigid. Due to fatigue being associated with stiffness, mixtures with greater incorporation tended to have a shorter fatigue life, with the mixture having 25% RAP with better behavior. Above all, the results indicated a good mechanical performance of hot recycled asphalt mixtures, proving the feasibility in applying the technique in paving works.

Tese (doutorado)—Universidade de Brasília, Faculdade de Tecnologia, Departamento de Engenharia Civil e Ambiental, 2020. Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq). O uso de misturas asfálticas data do fim do século XIX, e ao longo das décadas seguintes sofreu evoluções técnica e teórica apoiado pelo dinamismo econômico e social. Tradicionalmente no Brasil têm-se utilizado misturas asfálticas com tamanho máximo nominal (TMN) de 9,5 mm, 12,5 mm e 19,0 mm. Projetos com diâmetros superiores ou iguais a uma polegada (25,4 mm) são considerados no EUA como Large Stone Asphalt Mixture (LSAM). Há relatos que este tipo de mistura é adequado ao combate da deformação permanente em caso de vias que demandam de tráfego pesado e que apresentam falência estrutural com esta característica. Neste contexto a presente pesquisa, avalia-se o comportamento mecânico de misturas com TMN igual a 25,0 mm em comparação com misturas de 19,0 mm. Três dosagens foram propostas de maneira a verificar seus efeitos inerentes aos parâmetros volumétricos. Ensaios como fluência estática, fluência dinâmica, deformação permanente por formação de trilha de roda francesa, módulo dinâmico, e resistência ao trincamento por vigota de quatro pontos foram utilizados para caracterização quanto ao comportamento mecânico da mistura. Uma modelagem numérica foi conduzida com base em método dos elementos finitos para verificar os efeitos dos comportamentos elástico-linear e viscoelástico linear de ambas as misturas em estruturas típicas de pavimento, simuladas no contexto da realidade nacional. Os resultados apontam que o TMN possui efeitos quanto às características volumétricas e no campo das propriedades no regime da viscoelasticidade linear (módulo dinâmico, ângulo de fase e relaxação). As misturas avaliadas resistiram à deformação permanente quando ensaiadas sob fluência estática e dinâmica. Porém a mistura LSAM foi a única a resistir a esforços do afundamento de trilha de roda francesa. A mistura LSAM é suscetível ao trincamento por fadiga segundo a avaliação da mecânica da fratura e da teoria do dano contínuo. Entretanto, a mistura LSAM gerou menor deformação de tração horizontal, para as simulações numéricas com esforços dinâmicos. O modelo constitutivo viscoelástico linear do material, implica em menor magnitude de deformações de tração horizontal. O estudo reforça que as misturas do tipo LSAM são promissoras para o combate à deformação permanente, e objeto de pesquisa para futuros avanços associadas à mecânica dos pavimentos. The utilization of asphalt mixtures came since 19th century and after several decades with economic and social grow in societies, the material has experienced technical development. In Brazil, the majority of asphalt mixtures was designed with nominal maximum aggregate size (NMAS) with 9,5 to 19,0mm. Projects with aggregate maximum size equal or upper to one inch are known as Large Stone Asphalt Mixture in the United States. Researches showed that this type of mixture improves rutting resistance and it is indicated to heavy-duty traffic. This research aims to evaluate the mechanical behavior of 25,0mm NMAS in comparison with a common asphalt mixture 19,0 mm NMAS, applied as binder in Brazil. Three different dosage procedures were promoted in order to verify the effects in volumetric parameters. Also the mechanical characterization was performed with several trial tests such as: static creep, dynamic creep, French wheel track device, dynamic modulus, and four-point bending fatigue test. Linear elastic and linear viscoelastic numerical approaches by finite element method were performed over typical Brazilian pavement structures. The NMAS affect the volumetric parameter and also influences the viscoelastic properties measured. Both mixtures resist to permanent deformation when measured by static and dynamic creep. However only LSAM mixtures resist to French wheel rutting analysis. The LSAM mixture is susceptible to fatigue cracking, as reported by fatigue mechanics and continuum damage mechanics analysis. On the other hand, the LSAM mixtures results in lesser horizontal tensile strain and it is associated with constitutive behavior measured in laboratory, which generates a lesser damage rate, by numerical approaches. The research confirms that the LSAM mixtures type could solve rutting problems, and is an interesting material for future research to access advances in pavement mechanics.

Dissertação (mestrado)—Universidade de Brasília, Faculdade de Tecnologia, Departamento de Engenharia Civil e Ambiental, 2020. A presente dissertação de mestrado trata da aplicação de uma metodologia simples para determinar os parâmetros de estado crítico (λ, M) e expressá-los em função da percentagem dos materiais (caulim e esferas) e/ou como uma combinação dos parâmetros isolados destes materiais. Para compor as misturas artificiais, utilizou-se as esferas de vidro Potters do tipo A-072, como material representativo do comportamento de solos granulares (não coesivos), e um caulim da cor creme, como material representativo do comportamento de solos finos (coesivos). Foram realizados ensaios de caracterização para ambos materiais, porém apenas as esferas de vidro foram submetidas a ensaios de cisalhamento direto e compressão triaxial convencional. Fez-se os ensaios de mini palheta tradicional, de acordo com a norma D 4648M-13 (ASTM, 2010), para amostras de caulim puro a fim de determinar a velocidade de rotação apropriada na utilização do reômetro para o ensaio de mini palheta, obtendo-se o valor de 300/min. Para amostras de caulim puro e misturas de caulim com esferas de vidro de diversas proporções (80%caulim/20%A- 072, 60%caulim/40%A-072, 50%caulim/50%A-072, 40%caulim/60%A-072, 30%caulim/70%A-072), foram realizados os ensaios de penetração de cone, de acordo com a BSI 1377-2 (BSI, 1990), e mini palheta, utilizando um reômetro, com o intuito de estimar de forma indireta os parâmetros λ e M. Os resultados mostram que o valor do índice de compressibilidade λ descresce à medida que se aumenta o percentual de esferas na mistura, mostrando uma boa correlação, obtida por regressão linear, em função da percentagem de componentes. A diferença entre λ obtido por meio do ensaio de penetração de cone e do ensaio de mini palheta é em torno de 0,02. Os valores estimados de M foram muito reduzidos para as misturas, o que indica a necessidade de se aplicar algum fator de normalização na determinação deste por meio da metodologia utilizada. This master's thesis deals with the development of a simple methodology to determine the critical state parameters (λ, M) and express them as a function of the percentage of the materials (kaolin and spheres) and/or as a combination of the isolated parameters of these materials. Potters glass spheres of type A-072 were used to compose the artificial mixtures, as material representative of the behavior of granular soils (non-cohesive), and a cream-colored kaolin, as material representative of the behavior of fine soils (cohesive). Characterization tests were performed for both materials, but only the glass spheres were subjected to direct shear and conventional triaxial compression tests. Traditional mini vane tests were carried out, in accordance with standard D 4648M-13 (ASTM, 2010), for pure kaolin samples in order to determine the appropriate rotation speed when using the rheometer for the mini vane test, obtaining the value of 300/min. For samples of pure kaolin and mixtures of kaolin with glass spheres of various proportions (80%kaolin/20%A-072, 60% kaolin/40%A-072, 50% kaolin/50%A- 072, 40% kaolin/60%A-072, 30% kaolin/70%A-072), cone penetration tests were performed, according to BSI 1377-2 (BSI, 1990), and mini vane, using a rheometer, with in order to indirectly estimate the parameters λ and M. The results show that the value of the compressibility index λ decreases almost constantly as the percentage of spheres in the mixture increases, showing a good correlation, obtained by linear regression, as a function of the percentage of components. The difference between λ obtained through the cone penetration test and the mini vane test is around 0,02. The estimated values of M were very low for the mixtures, which indicates the need to apply some normalization factor in determining this through the methodology used.

Dissertação (mestrado)—Universidade de Brasília, Faculdade de Tecnologia, Departamento de Engenharia Civil e Ambiental, 2020. O comportamento do solo se altera de acordo com o clima, região, estratificações, mineralogia, dentre inúmeros fatores. De acordo com a finalidade da aplicação, ao exemplo de aterros, taludes e pavimentação, o solo pode precisar passar por processos de melhoramento ou estabilização. A região do Jalapão – Tocantins é uma área de proteção ambiental (APA) e com isso há limitações para execução de obras pelas questões ambientais do local e impactos que as construções podem gerar ao ambiente. A presente pesquisa visa o estudo do comportamento de um solo arenoso, advindo da APA – Jalapão, melhorado com solução polimérica como agente estabilizante para formação do compósito solo-polímero. Os estudos foram feitos visando a aplicação em estradas não pavimentadas, base de pavimentos, bem como aterros e taludes. Foi avaliado o comportamento do compósito para duas dosagens de polímero, 2,5% e 5% em relação ao volume total, e em tempos de cura distintos. A análise se deu nos âmbitos físico, mecânico, químico, ambiental, mineralógico e microestrutural. O solo puro e compósitos foram avaliados por meio de ensaios de compactação, compressão simples, cisalhamento direto, expansão, determinação da resistência à tração por compressão diametral, módulo de resiliência, simulador de tráfego laboratorial (desgaste superficial no equipamento DWT) e dano por umidade induzida. Ensaios de permeabilidade, absorção da água e sucção total, bem como refração de Raios X, florescência, espectrometria, microscopia eletrônica (MEV) e lixiviação dos compósitos. Em todas análises mecânicas realizadas observou-se incremento e melhoras significativas dos resultados dos parâmetros de resistência encontrados para os compósitos em ambas dosagens, quando comparados com os do solo sem estabilização, em que os parâmetros obtidos para a dosagem com 5% de polímero foram maiores. Constatou-se o incremento de intercepto coesivo, resistência à compressão simples, resistência à deformação superficial (desgaste) e aumento do módulo de resiliência. Os resultados corroboram para que a solução polimérica adicionada ao solo estudado possa ser aplicada para melhoramento deste, gerando um novo material geotécnico. As soluções poliméricas, sendo aplicadas como agentes estabilizantes, tornam-se uma possibilidade adequada para aplicação em obras geotécnicas, pois além de aumentarem a resistência mecânica, também são ambientalmente corretas em todo o seu ciclo de vida. The behavior of the soil changes according to the climate, region, stratifications, mineralogy, among numerous factors. According to the purpose of the application, like landfills, embankments and paving, the soil may need to undergo improvement or stabilization processes. Jalapão - Tocantins region is an environmental protection area (APA) and with this there are limitations for the execution of works due to the environmental issues of the place and the impacts that the constructions can generate to the environment. This research aims to study the behavior of a sandy soil, derived from APA - Jalapão, improved with polymeric solution as a stabilizing agent for the formation of the soil-polymer composite. The studies were made aiming at the application in unpaved roads, pavement base, as well as embankments and slopes. The behavior of the composite was evaluated for two polymer dosages, 2.5% and 5% in relation to the total volume, and at different curing times. The analysis took place in the physical, mechanical, chemical, environmental, mineralogical and microstructural areas. Pure soil and composites were evaluated by means of compaction tests, simple compression, direct shear, expansion, determination of tensile strength by diametrical compression, resilience module, laboratory traffic simulator (surface wear on DWT equipment) and moisture damage induced. In addition to determining the permeability coefficient, water absorption and total suction. As well, studies of XRD, X-ray flowering, SEM, EDS and chemical analysis of the leachate of composites were carried out. In all mechanical analyzes performed, there was an increase and significant improvements in the results found for the composites when compared to those of the soil without stabilization. The resistance values for the dosage with 5% of polymer were higher than the dosage of 2.5%. For both dosages, there was an increase in cohesive intercept, presence of resistance to simple compression, resistance to surface deformation, increase in the resilience module. Thus, the results corroborate so that the polymeric solution added to the studied soil can be applied as a new geotechnical material to improve that soil. The polymeric solutions, being applied as stabilizing agents, become an excellent possibility for application in geotechnical works, because in addition to increasing the mechanical resistance, they are also environmentally correct throughout their life cycle.

Dissertação (mestrado)—Universidade de Brasília, Faculdade de Tecnologia, Departamento de Engenharia Civil e Ambiental, 2020. Capes e Cnpq A pesquisa tem como objetivo o estudo bidimensional da interação entre fluido e partículas sólidas por meio de um código computacional dos métodos lattice Boltzmann e elementos discretos. O código foi desenvolvido utilizando a linguagem C++ devido a sua maior rapidez e por ser uma linguagem orientada a objetos. O método lattice Boltzmann implementado faz uso do operador de colisão BGK com um único tempo de relaxação e discretização do domínio feita por meio de células lattice tipo D2Q9. O método dos elementos discretos (MED) utilizado é o mesmo proposto por Cundall & Strack com a adoção de partículas circulares ou discos para simular o meio discreto. Ambos os métodos foram validados por meio de problemas de referência amplamente estudados e de solução acurada. No método lattice Boltzmann foram feitas simulações de fluxo Poiseuille e fluxo ao redor de um cilindro onde foi verificada a capacidade geral do método de simular fluxos incompressíveis e capturar os diferentes tipos de regimes desenvolvidos em um canal em função do número de Reynolds. Já o método dos elementos discretos foi validado e teve parâmetros calibrados por meio da análise da energia de uma partícula em queda livre e da conservação de momento linear na colisão entre partículas, se mostrando bastante eficaz em ambos os casos. O acoplamento dos métodos foi feito por meio do método das fronteiras móveis devido a sua facilidade de implementação e conservação da localidade das operações e teve sua validação por meio da análise do coeficiente de arrasto desenvolvido na partícula. Os valores do coeficiente de arrasto em função do número de Reynolds se mostraram totalmente em conformidade com a solução analítica para números de Reynolds maiores que 60 e apresentaram valores subestimados para números de Reynolds menores, porém o método ainda se mostrou eficaz. Por fim, o código desenvolvido é uma ferramenta com um grande potencial para simulação de meios particulados em contato com um fluido e avaliar as nuances de suas interações. The research aims at the two-dimensional study of the fluid-solid interaction by means of a computational code of the lattice Boltzmann and the discrete element methods. The code was developed using the C++ language due to its greater speed and for being an object-oriented language. The lattice Boltzmann method implemented makes use of the BGK collision operator with a single relaxation time and the domain discretization was done with D2Q9 lattice cells. The discrete element method (DEM) implemented was the same proposed by Cundall & Strack with the adoption of circular particles or discs to simulate the discrete medium. Both methods were validated by means of widely studied reference cases with accurate analytical solution. For the lattice Boltzmann method, simulations of Poiseuille flow and flow around a cylinder were performed, in which the general capacity of the method to simulate incompressible flows and capture the different types of regimes developed in a channel as a function of the Reynolds number were evaluated. The discrete element method was validated and had parameters calibrated by analyzing the energy of a particle in free fall and the conservation of linear momentum in the collision between particles, proving to be quite effective in both cases. The coupling of these methods was done using the immersed moving boundary method due to its ease of implementation and conservation of the locality of the operations and had its validation done with an analysis of the drag coefficient developed by the particle. The values of drag coefficient as a function of Reynolds number proved to be totally in accordance with the analytical solution for Reynolds number greater than 60 and showed underestimated values for smaller Reynolds numbers, however the method still proved to be effective. Finally, the developed code is a tool with great potential for simulating particulate media in contact with a fluid and assessing the nuances of their interactions.

Dissertação (mestrado)—Universidade de Brasília, Faculdade de Tecnologia, Departamento de Engenharia Civil e Ambiental, 2019. A utilização do Método dos Elementos Discretos (DEM) aplicada a problemas de contorno geotécnicos ainda esbarra na capacidade computacional devido à grande quantidade de partículas necessárias a representação do fenômeno em tamanho real. Uma abordagem intermediária que viabilizaria a utilização do DEM é sua aplicação aos modelos reduzidos. Os modelos reduzidos permitem o controle de todas as variáveis envolvidas em obras geotécnicas, no entanto, apresentam como limitação a necessidade de definição de um fenômeno principal a ser estudado. Os modelos físicos, em escala real e reduzida, são bastante utilizados para o estudo dos mecanismos de ruptura das fundações devido ao empiricismo envolvido no seu dimensionamento bem como na obtenção de parâmetros de resistência. Dessa forma, essa pesquisa avaliou a potencialidade da utilização do Método dos Elementos Discretos (DEM) combinado a modelos reduzidos bidimensionais em fundações. Inicialmente, foi realizada a calibração dos parâmetros das partículas (mesoscópicos) e de contato (microscópicos) a fim de replicar o fenômeno macroscópico obtido no ensaio biaxial pelo método da tentativa e erro. O ensaio biaxial foi performado com aproximadamente 1.900 partículas por meio do software YADE - Yet Another Dynamic Engine. Este ensaio permitiu avaliar a influência dos parâmetros em nível de partícula (coeficiente de Poisson da partícula; módulo de Young da partícula; e coeficiente de atrito) no comportamento macroscópico da amostra. Após a calibração dos parâmetros da partícula, foi realizada a etapa de validação dos parâmetros por meio da simulação de uma prova de carga, inicialmente em um bloco de fundação, e posteriormente em um radier estaqueado com estacas curtas e longas no mesmo software. Este ensaio resultou em uma amostra com aproximadamente 37.000 partículas. A validação permitiu comparar se o comportamento mecânico numérico foi similar ao encontrado nos modelos reduzidos, considerando os parâmetros calibrados, bem como quais parâmetros mesoscópicos e microscópicos mais influenciaram o comportamento mecânico da prova de carga estudada. Além disso, foi possível comparar as superfícies e cargas de ruptura obtidas a partir da utilização do DEM com as superfícies considerando a solução proposta pela teoria da plasticidade por meio da resolução Teorema de Análise Limite por meio do software OptumG2. Conclui-se que o ângulo de atrito foi responsável por governar a ruptura e a porção final do comportamento elástico-linear da curva. O módulo de Young, no entanto, afetou mais o trecho inicial do comportamento elástico linear. Essa metodologia apresentou-se como uma ferramenta eficiente para prever as superfícies de ruptura, que são bastante similares às propostas de forma analítica e pelo Teorema de Análise Limite. No entanto, em termos quantitativos, a falta de absoluta similaridade geométrica entre o experimento físico e o ensaio numérico introduziu limitações na hora de comparar as cargas de ruptura. The use of the Discrete Element Method (DEM) applied to geotechnical contour problems still bumps into computational capacity due to the large number of particles to represent the phenomena. An intermediate approach that enables the use of DEM is its application to reduced models. The reduced models controls all selected variables in geotechnical works, however, have as limitation the need to define a main phenomenon to be studied. The physical models, in real scale and reduced, are widely used for the study of mechanisms of rupture of foundations due to the empiricism involved in its dimensioning, as well as in the parameters of resistance. Thus, this research evaluated the potential use of the Discrete Element Method (DEM) combined with two-dimensional reduced models in foundations. Initially, the particles (mesoscopic) and contact (microscopic) parameters were calibrated at the end of a replication or macroscopic phenomenon that occur in biaxial test by trial and error method. The biaxial test was performed with approximately 1,900 particles using YADE - Yet Another Dynamic Engine software. This biaxial test allowed to evaluate the influence of the particle level parameters (particle Poisson's ratio; particle Young's modulus; and friction coefficient) on the macroscopic behavior of the sample. After calibration of the particle parameters, the parameter validation step was performed by simulating a load test, initially in a shallow foundation, and later in a radier with short and long piles in the same software. This sample resulted in approximately 37,000 particles. The validation allowed comparing if the numerical mechanical behavior was similar to that found in the reduced models, considering the calibrated parameters, as well as which mesoscopic and microscopic parameters most influenced the mechanical behavior of the load test studied. Moreover, it was possible to compare the rupture surfaces obtained from the use of DEM with the surfaces considering the solution proposed by the plasticity theory through the Limit Analysis Theorem, to obtain these surfaces the OptumG2 software was used. It was concluded that the friction angle was responsible for governing the rupture and the final portion of the elastic-linear behavior of the curve. Young's modulus, however, most affected the initial stretch of linear elastic behavior. This methodology has been presented as an efficient tool for predicting the rupture surfaces, which are very similar to those proposed analytically and by the Limit Analysis Theorem. However, in quantitative terms, the lack of absolute geometric similarity between the physical experiment and the numerical test introduced limitations in comparing the ultimate loads.

Tese (doutorado)—Universidade de Brasília, Faculdade de Tecnologia, Departamento de Engenharia Civil e Ambiental, 2015. Em dias atuais a preocupação por soluções sustentáveis para a redução do consumo acelerado de recursos minerais não renováveis e a inserção de resíduos beneficiados na cadeia produtiva vem promovendo novas pesquisas com materiais alternativos para o setor da construção civil. Esta pesquisa teve como objetivo avaliar o desempenho de pavimentos flexíveis construídos com o emprego de agregados reciclados de Resíduos de Construção e Demolição (RCD), proveniente da demolição do estádio Mané Garrincha da cidade de Brasília, capital do Brasil, em camadas de base, por meio, de um modelo físico de verdadeira grandeza. No modelo, buscou-se simular em laboratório as condições mais próximas às condições de campo, de maneira mais controlada, construindo uma estrutura de pavimento tipo composta por camadas de subleito, base e revestimento, no interior de uma caixa de dimensões iguais a 1,60 m x 1,60 m x 1,20 m de altura. Os carregamentos transmitidos ao pavimento foram aplicados com auxílio de uma viga de reação e um cilindro hidráulico acoplado a uma unidade de força que submetiam uma placa rígida de diâmetro igual a 300 mm a carregamentos cíclicos da ordem de 40 kN e frequência de aplicação de 1 Hz. Os resultados dos ensaios no modelo físico indicam que, apesar do comportamento complexo devido à sua heterogeneidade, o agregado reciclado (AR) proveniente do beneficiamento de resíduos da construção civil demonstrou características positivas e desejáveis para a sua aplicação em obras de infraestrutura rodoviária, visto que os valores das instrumentações apontaram para um bom comportamento da estrutura do modelo físico. As análises de deformação e deslocamentos permanentes permitiram concluir que o modelo experimental tanto a estrutura como a camada de base teriam condições de suportar mais ciclos de carga sem atingir critérios limites de intervenção para pavimentos flexíveis. De maneira complementar os ensaios de módulo de resiliência, Índice de Suporte Califórnia o RCD demonstrou um bom desempenho frente às condições mínimas exigidas pelo Departamento Nacional de Infraestrutura e Transporte – DNIT do Brasil, validando que a reciclagem pode ser uma solução sustentável para o destino do RCD de forma a compensar a extração exaustiva dos recursos minerais. Nowadays, concern about sustainable solutions for decreasing the consumption of renewable mineral resources and the insertion of enhanced waste on the productive chain has been promoting new research using alternative materials for the construction sector. This research had the objective of assessing the behavior of flexible pavement built with Construction and Demolition Waste in base layers through a physical model in true magnitude. The Construction and Demolition Waste (CDW) came from the stadium Mané Garrincha at Brasilia, Brazil. The model sought simulating at the laboratory the closest conditions to the field condition, but in a more controlled way, by building a pavement structure made of subgrade, base and pavement layers inside a box of 1,60 m x 1,60 m x 1,20 m high. The loads transmitted to the paving were applied by means of a reaction beam and a hydraulic cylinder coupled to a force unit. The equipment applied cyclic loading of about 40 kN with a frequency of 1 Hz to a rigid plate of 300 mm of diameter. The results of the physical model suggest that, despite of the complexities coming from heterogeneities, the recycled aggregate from enhanced waste of civil construction demonstrated positive and desirable characteristics for its application on road infrastructure, because the values of instrumentation pointed to a good behavior of the structure of the physical model. Analysis of deformations and permanent displacements allowed concluding that both the structure and the base layer would have conditions to support more loading cycles without reaching limit intervention criteria for flexible paving. Resilience module test and California Bearing Ratio (CBR) for the construction and demolition waste showed good behavior for the minimal conditions required by the National Department of Transport and Infrastructure of Brazil. This validates that recycling is a sustainable solution for construction and demolition waste and a way of compensating the extraction of mineral resources.

Tese (doutorado)—Universidade de Brasília, Faculdade de Tecnologia, Departamento de Engenharia Civil e Ambiental, 2018. Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES). Nesta tese, os modelos Lattice de Molas Clássico (MLMC) e Rede de Molas e Corpos Rígidos (RMCR) foram aprimorados com novas contribuições no sentido de serem capazes de analisarem tanto rochas intactas quanto maciços rochosos fraturados. Para atingir este objetivo, um programa de computador foi elaborado com base na formulação original de ambos os métodos e nas contribuições adicionais aqui propostas. A solidez das contribuições foi verificada por meio de análises de validação e de estudos de casos reais. Especificamente, as contribuições consistiram em: (1) combinar o método Rede de Fraturas Discretas e a formulação do Modelo de Junta Lisa com o MLMC para a realização de análises 3D de escavações de túneis utilizando a técnica do maciço rochoso sintético; (2) associar o MLMC ao modelo constitutivo de descontinuidades Barton-Bandis e a um serviço de computação em nuvem para demonstrar o potencial do método na realização de análises eficientes de estabilidade probabilística de túneis; (3) estender o método RMCR a fim de fornecer a capacidade de representar os processos de fraturamento de rochas quase-frágeis de maneira realista com: um novo modelo de zona coesiva, a representação da heterogeneidade do material, e a consideração das micro-fraturas naturais preexistentes; e (4) melhorar a Abordagem das Tensões Fictícias e a formulação do Modelo de Junta Lisa para que o método RMCR possa simular rochas transversalmente isotrópicas elasticamente homogêneas e manifestar apropriadamente o modo de ruptura de deslizamento em uma descontinuidade. Contribuições adicionais incluíram duas análises de estabilidade de túneis escavados nas cidades de Washington, DC e Nova York; uma análise de estabilidade probabilística de um trecho de um túnel brasileiro conhecido como Túnel Monte Seco; o estudo numérico do granito Lac du Bonnet e do argilito de Tournemire; e uma análise de sensibilidade global Sobol do granito Lac du Bonnet. In this thesis, the models Classic Lattice Spring Model (CLSM) and Rigid Body Spring Network (RBSN) were further developed with novel contributions in order to be capable of analyzing both intact rocks and fractured rock masses. In order to achieve this objective, a computer program was elaborated based on the original formulation of both methods and the additional contributions proposed herein. The soundness of the contributions was verified by means of validations and back analysis of real case studies. Specifically, the contributions consisted in: (1) combining the Discrete Fracture Network method and the Smooth Joint Model formulation with the CLSM in order to perform 3D synthetic rock mass analyses of rock tunnel excavations; (2) associating the CLSM with the Barton-Bandis joint constitutive model and a cloud computing service so as to show its potential in performing efficient probabilistic stability analysis of rock tunnels; (3) extending the RBSN method with the following contributions in order to provide for a realistic representation of the fracturing processes of quasi-brittle rocks: a novel Cohesive Zone Model, a representation of rock heterogeneity, and the consideration of a rock’s preexisting natural microcracks; and (4) improving the fictitious stress approach and the Smooth Joint Model formulation in order for the RBSN method to simulate elastically homogeneous transversely isotropic rocks and to properly manifest the sliding mode of failure on a discontinuity. Additional contributions included two stability analyses of rock tunnels excavated in the cities of Washington, DC and New York; a probabilistic stability analysis of a section of a Brazilian tunnel known as the Túnel Monte Seco; the numerical study of the Lac du Bonnet granite and the Tournemire argilitte; and a Sobol global sensitivity analysis of the Lac du Bonnet granite.

Dissertação (mestrado)—Universidade de Brasília, Faculdade de Tecnologia, Departamento de Engenharia Civil e Ambiental, 2018. A pesquisa objetiva desenvolver um modelo numérico que simule o comportamento de misturas asfálticas quanto à fluência estática. O material compósito é dividido em duas fases: Matriz de Agregados Finos e Agregados graúdos. Cada uma delas foi caracterizada experimentalmente, de forma a prover dados necessários para a caracterização de seus modelos constitutivos e características geométricas. A Matriz de Agregados Finos é caracterizada como um material viscoelástico a partir de dados da curva de Relaxação E(t). Para isso, dados de ensaios de fluência estática foram analisados a fim de obter a curva de Fluência D(t) que, mediante um método de interconversão baseado na Lei de Potência, inter-relaciona-se com a função Relaxação E(t). A obtenção dos parâmetros de entrada para a simulação em Elementos Finitos é feita aproximando-se uma curva de Prony à função. Para a fase Agregados Graúdos, o modelo é considerado elástico-linear, entretanto sua configuração geométrica torna a modelagem complexa. Um algoritmo de empacotamento de partículas do tipo frente de avanço é utilizado para gerar pacotes de partículas randômicos num domínio pré-definido, considerando características de forma e granulometria das partículas, além da fração de ocupação do volume pelos agregados. Aplicando o Método dos Elementos Finitos (MEF), foram realizados ensaios de fluência estática e recuperação no modelo numérico utilizando o programa ABAQUS que, após calibrados, apresentaram erros relativos muito baixos, validando o modelo desenvolvido. De posse do modelo validado, este foi utilizado para estudar características geométricas da fase Agregado Graúdo no comportamento da mistura asfáltica como um todo. Para isso, foram feitos dois estudos: o primeiro para avaliar a influência da forma das partículas e o segundo para avaliar a influência da granulometria das mesmas na evolução das deformações durante o ensaio de fluência estática. Observou-se, finalmente, que partículas menos cúbicas, mais alongadas e/ou lamelares resistem mais às deformações, visto que apresentam maior intertravamento entre elas no interior da mistura, e que partículas maiores, e com curvas de graduação mais densas, têm melhor desempenho quanto às deformações. The research aims to develop a numerical model that simulates the behavior of asphalt mixtures in terms of static creep. The composite material is divided into two phases: asphalt mastic and coarse aggregates. Each of them was characterized experimentally, in order to provide the necessary data for the characterization of its constitutive models and geometric characteristics. The Asphaltic Mastic is characterized as a viscoelastic material from data of the Relaxation curve E(t). For this, data of static creep tests were analyzed in order to obtain the D(t) flow curve, which, through an interconversion method based on the Power Law, interrelates with the Relaxation function E(t). Obtaining the input parameters for the Finite Element simulation is done by approaching a Prony curve to the function. For the Coarse Aggregates phase, the model is considered to be linear-elastic, however its geometric configuration makes modeling complex. A forward particle packing algorithm is used to generate random particle packets in a predefined domain, considering particle shape and particle size characteristics, as well as volume fraction occupied by aggregates. Applying the Finite Element Method (FEM), static creep and recovery tests were performed in the numerical model using the ABAQUS program, which, after calibration, showed very low relative errors, validating the developed model. With the validated model, this one was used to study the geometric characteristics of the Coarse Aggregates phase in the behavior of the asphalt mixture as a whole. For this, two studies were carried out: the first to evaluate the influence of the shape of the particles and the second to evaluate the influence of their granulometry on the evolution of the deformations during static creep test. Less cubic, elongated and/or lamellar particles were more resistant to deformations because they exhibit greater interlocking in the interior of the mixture, and larger particles with denser graduation curves have a better performance on the strength of the test piece to the deformations.

Dissertação (mestrado)—Universidade de Brasília, Faculdade de Tecnologia, Departamento de Engenharia Civil e Ambiental, 2018. Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq). O dano em pavimentos flexíveis devido a tensões e deformações causadas pelo tráfego e por fatores ambientais é manifestado em grande parte dos casos na forma de trincamento por fadiga e por deformações permanentes. Pesquisadores vêm usando matrizes de agregados finos (MAFs) para estimar o comportamento da mistura asfáltica completa quanto ao dano por fadiga. Boa correlação é observada entre as propriedades da MAF e da Mistura Asfáltica Completa (MAC) em estudos relacionados ao dano por umidade, fadiga e deformação permanente. Visando isso, o objetivo do trabalho é definir uma metodologia para avaliar o dano por fadiga em ensaios com MAF em laboratório. Realizaram-se as dosagens do CBUQ e da MAF separadamente e ensaios mecânicos tradicionais foram executados: Resistência à Tração, Módulo de Resiliência, Fadiga à Compressão Diametral e Creep Estático. Além disso, foram extraídas amostras de 12 mm de diâmetro da MAF para ensaios no Reômetro. Os resultados destes ensaios foram analisados por meio da teoria do Dano Contínuo Visco-Elástico (VECD - ViscoElastic Continuum Damage) e sua simplificação (S-VECD), uma vez que estas teorias são capazes de prever o comportamento da mistura asfáltica independentemente do modo de carregamento (uniaxial ou torsional, tensão ou deformação controlada) e da amplitude do carregamento aplicado ao material para induzir o dano. Foi realizada a construção da curva característica para a mistura da dissertação, com diferentes esquemas de carregamento e diferentes frequências na temperatura de 25 ºC. Foram obtidas as propriedades viscoelásticas da MAF, além da construção da curva mestra da mistura e realizado o ensaio MSCR para a comparação com os ensaios no ligante asfáltico no reômetro (Curva Mestra, LAS, MSCR). Não foi possível estabelecer uma comparação entre os ensaios mecânicos tradicionais e os ensaios obtidos no reômetro com a MAF, mas foi possível verificar que a curva característica de dano é única para um tipo de mistura, mesmo com diferentes ensaios realizados nas amostras. Também foi possível comparar a metodologia de cálculo do parâmetro de dano α e as diferentes equações para cálculo da pseudo-deformação. Finalmente, a metodologia de análise do dano em misturas finas foi estabelecida no laboratório, com as peças necessárias para extração e procedimentos de ensaios implementados no reômetro de cisalhamento dinâmico. The damage to flexible pavements due to tensions and deformations caused by traffic and environmental factors is manifested in most cases in form of fatigue cracking and permanent deformations. Researchers have been using fine aggregate matrices (FAM) to estimate the behavior of the complete asphalt mixture in terms of fatigue damage. Good correlation is observed between the properties of the FAM and the complete asphalt mixture (CAM) in studies related to damage due to moisture, fatigue and permanent deformation. Aiming at this, the objective of the work is to define a methodology to evaluate the fatigue damage in laboratory tests with FAM. The CAM and FAM dosages were performed separately and traditional mechanical tests were performed: Traction Resistance, Resilience Module, Diametral Compression Fatigue, Static Creep. In addition, samples of 12 mm diameter were extracted from the FAM for rheometer tests. The results of these tests were analyzed through the VECD (Visco-Elastic Continuous Damage) theory and its simplification (S-VECD – Simplified ViscoElastic Continuum Damage) since these theories are capable of predicting the behavior of the asphalt mixture independently the loading mode (uniaxial or torsional, tension or controlled deformation) and the load amplitude applied to the material to induce the damage. A unique characteristic curve for the dissertation mixture was constructed, with different loading schemes and frequencies at 25 °C. The viscoelastic properties of the FAM were obtained in addition to the construction of the master curve of the mixture and the MSCR test for comparison with the tests on the asphalt binder in the rheometer (Master Curve, LAS, MSCR). It was not possible to establish a comparison between the traditional mechanical tests and the rheometer tests with the FAM, but it was possible to verify that the characteristic curve of damage is unique for one type of mixture, even with different tests carried out on the samples. It was also possible to compare the methodology of calculation of the parameter α and the different equations to calculate the pseudo-strain. Finally, the methodology of damage analysis in fine mixtures was established in the laboratory, with the necessary parts for extraction and test procedures implemented in the dynamic shear rheometer.

Dissertação (mestrado)—Universidade de Brasília, Faculdade de Tecnologia, Departamento de Engenharia Civil e Ambiental, 2018. Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES). Nas últimas décadas observa-se o crescimento da consciência ambiental na sociedade, que tem influenciado na forma como as diversas áreas da indústria desenvolvem suas atividades. O setor da pavimentação vem buscando se adequar a essa nova realidade, atentando-se para alternativas que possibilitem o desenvolvimento de processos mais eficientes e o uso de materiais mais sustentáveis, com os menores custos e sem o comprometimento da qualidade de seus produtos. Dentre essas alternativas estão o uso de escória de aciaria como agregado e a diminuição das temperaturas de trabalho das misturas asfálticas por meio de tecnologias de misturas mornas. Com base nisso, buscou-se analisar o comportamento de misturas asfálticas a quente e mornas produzidas em laboratório, com substituições de agregados de calcário por escória de aciaria Linz-Donawitz. Para as misturas mornas, foram usados dois aditivos: o HUSIL, que provoca a formação de espuma no asfalto, e o Rediset® LQ, que é um produto surfactante. O estudo foi dividido em quatro partes: caracterização dos materiais, análise de misturas com diferentes composições de agregados de calcário e escória, estudo de compactação a três temperaturas diferentes e caracterização mecânica. Foram estudadas até quatro porcentagens diferentes de cada aditivo (entre 0,4% e 0,75% para o Rediset e de 0,5% a 2% para o HUSIL) e oito composições distintas de agregados de calcário e escória. Foram mecanicamente avaliadas, segundo os ensaios de estabilidade Marshall, resistência à tração indireta, módulo de resiliência, dano por umidade induzida, creep estático e fadiga, seis misturas diferentes. Três delas eram compostas apenas de agregados de calcário e três possuíam agregados graúdos de escória de aciaria, sendo duas a quente e quatro mornas (com redução de 20ºC), dentre as quais duas eram com 1% de HUSIL e duas com 0,5% de Rediset®. Os resultados obtidos indicaram que as misturas se mostraram satisfatórias, atendendo aos requisitos comumente exigidos para revestimentos asfálticos. Percebeu-se que o emprego de agregados graúdos de escória de aciaria mostrou-se bastante interessante por proporcionar à mistura asfáltica um esqueleto mineral resistente, estável e com boa adesividade ao ligante. No entanto, é necessário um cuidado especial quanto ao potencial expansivo desse material. Já o uso dos aditivos, especialmente o Rediset, permitiu a produção de misturas mornas sem o comprometimento da trabalhabilidade da massa asfáltica e da qualidade do produto final, apesar de terem sido observados desempenhos mecânicos ligeiramente inferiores às misturas a quente. Dessa forma, uma vez que a questão da expansibilidade esteja sob controle, o uso de misturas mornas com escória de aciaria mostra-se como uma solução tecnicamente viável, que pode ser considerada também uma forma promissora de tornar a pavimentação mais sustentável. In the last decades, the growth of an environmental awareness in society has influenced the way in which the various areas of industry develop their activities. The paving sector, for instance, has been looking for alternatives that allow more efficient and sustainable ways of production, with lower costs and no loss of quality. Among these alternatives are the use of steel slag as aggregates and the reduction of the production temperature of asphalt mixtures by means of warm mix technologies. Based on these, this research aimed to analyse the behaviour of hot and warm mixes produced in laboratory with different aggregates compositions of limestone and/or Linz-Donawitz steel slags. For the warm mixtures it was considered two types of additives: HUSIL, which uses the principle of foaming asphalt, and Rediset® LQ, which is a surfactant product. The study was divided in four main parts: characterization of the materials, analysis of mixtures with different compositions of limestone and steel slag aggregates, study of compaction at three different temperatures and mechanical characterization. Up to four different percentages of each additive (between 0,4% and 0,75% for Rediset® and from 0,5% to 2% for HUSIL) and eight different compositions of limestone and slag aggregates were studied. Six mixtures were evaluated by means of Marshall stability, indirect tensile, resilient modulus, moisture damage, static creep and fatigue tests. Three of these mixes were composed only of limestone aggregates and three had coarse aggregates of steel slag, of which two were hot mixtures and four were warm (with a reduction of 20ºC). For two of the warm mixes it was added 1% of HUSIL and for the other two, 0,5% of Rediset®LQ. The results indicated that the mixtures were satisfactory, meeting the common requirements for asphalt surface layers. It was noticed that the usage of coarse aggregates of steel slag provided to the asphalt mixtures a resistant and stable mineral skeleton, that also have a good adhesion to the binder. However, special care is necessary regarding the expansive potential of this material. The use of additives, especially Rediset®, allowed the production of warm mixes without compromising its workability and final quality, although it was observed for this mixtures slightly worse mechanical performances than for hot mixes. Hence, once the issue of volumetric instability is under control, the application of warm mixes with steel slag aggregates proves to be a technically feasible solution, which can also be considered a promising way to make paving more sustainable.

Submitted by Christianne Fontes de Andrade (cfontes@ct.ufrj.br) on 2019-09-24T16:54:42Z No. of bitstreams: 1 882864.pdf: 21140354 bytes, checksum: 61cc1c18d44a48d42acc43b61a8a360f (MD5) Made available in DSpace on 2019-09-24T16:54:43Z (GMT). No. of bitstreams: 1 882864.pdf: 21140354 bytes, checksum: 61cc1c18d44a48d42acc43b61a8a360f (MD5) Previous issue date: 2017-07 Este trabalho apresenta os fundamentos teóricos de um método para a estimativa da deflexão de pavimentos ferroviários. Avaliando o comportamento mecânico da estrutura, simulações computacionais apontaram para a necessidade da definição de novos métodos baseados em conceitos teóricos mais adequados do que métodos simplificados e /ou empíricos existentes utilizados para a estimativa da deflexão. Foram realizadas simulações computacionais utilizando o método dos elementos finitos (MEF) no software ABQUS 2016 para parametrizar a influência de diferentes variáveis na estimativa de deflexões, como carregamento, a bitola, trilhos, dormentes, a espessura e o módulo de resiliência das camadas no comportamento mecânico global do pavimento, o que permitiu com os resultados obtidos em cada simulação formar um sistema matricial correlacionando o grupo de variáveis parametrizadas e as deflexões encontradas. Utilizou-se modelo elástico linear para a simulação dos trilhos e dormentes, o critério de Drucker-Prager para o lastro e o modelo de GUIMARÃES (2009) para o sublastro e subleito, implementado por intermédio da rotina UMAT. A solução do sistema matricial permite a definição de uma equação genérica que pode ser utilizada para estimar a deflexão de determinado pavimento ferroviário dentre aqueles simulados ou outro similar. Comparações dos resultados da equação formulada com valores de deflexões medidas em campo por outros autores mostram a aplicabilidade do método, tornando-o uma ferramenta eficiente para a previsão de deslocamentos verticais do pavimento ferroviário. This thesis presentes the theorical method to estimate the deflection of railway track. Evaluating the mechanical performance of the structure, computer simulations pointed to the necessity of new methods for estimating the deflection. Were performed computer simulations using the finite element method (FEM) within ABAQUS 2016 software to parameterize the influence of different variables to estimate deflections, such as load, gauge, rails, sleepers, thickness and resilient modulus of layers in overall mechanical behavior of the track, which allows with the results obtained in each simulation to form a matrix system correlating the parameterized variables group and the encountered deflections. Were applied an elastic model to simulate the rails and sleepers, the Drucker-Prager’s criterion for the ballast and the Brazilian GUIMARÃES (2009) model for the subbalast and subgrade, implemented by UMAT routine. The solution of this system allows the definition of a general equation that can be used to estimate the track deflection between those simulated or others like. Comparisons of formulated equation results with real deflections values measured in the field by other authors show tha applicability of the method, making it an effective tool for predicting vertical displacements of the track in the Brazilian network.

Tese (doutorado)—Universidade de Brasília, Faculdade de Tecnologia, Departamento de Engenharia Civil e Ambiental, 2017. O objetivo desta pesquisa é o estudo experimental e numérico da influência da argamassa asfáltica na fluência de uma mistura idealizada. Esta argamassa é a mistura de agregados miúdos calcários dolomíticos com tamanho máximo nominal #10 (2,00mm) e um ligante asfáltico modificado por polímeros tipo PG 76-22. A campanha experimental no primeiro momento é focada na obtenção do teor de ligante ótimo para a mistura de argamassa asfáltica. Para definir o teor de ligante foram fabricados vários mini corpos de prova (MCP) com dimensões de 50mm de diâmetro e aproximadamente 35mm de altura. A fabricação destes MCPs implicou a calibração de um método de compactação estático, mostrando bons resultados na repetitividade das suas propriedades físicas e volumétricas. Estes MCPs foram submetidos a ensaios de fluência estática com o objetivo de determinar a variação das suas propriedades viscoelásticas, representadas por série de Prony, com respeito às propriedades volumétricas. É verificada através de um material idealizado a influência do volume de agregado graúdo na variação das propriedades viscoelásticas. Para atingir este objetivo foram produzidos MCPs compostos da argamassa asfáltica e esferas de aço de 12mm que simulam o agregado graúdo. Aplicando o método dos elementos finitos (MEF), são simulados os MCPs, como um meio contínuo homogêneo equivalente, cujas propriedades constitutivas são determinadas pelos parâmetros da série de Prony. Os MCPs que contêm esferas de aço são simulados como um material bifásico e trifásico. O modelo bifásico é composto de argamassa asfáltica e esferas de aço, enquanto que o modelo trifásico adiciona uma terceira fase que é o volume de vazio. Na medida que são incrementadas as fases no modelo numérico aumenta a exatidão dos resultados se comparado com os valores experimentais. Este resultado foi quantificado através da diminuição da média do erro relativo, sendo 8%, 5% e 2% para os modelos homogêneo equivalente, bifásico e trifásico, respectivamente. É analisada também a mudança no comportamento do composto em função da variação da posição do material rígido. É estudada numericamente a influência da interface entre a argamassa asfáltica e as esferas de aço. Esta interface é analisada com e sem a presença de atrito entre as superfícies, demostrando a mudança no comportamento do composto com a variação do coeficiente de atrito. Os estudos numéricos e experimentais realizados comprovam a hipótese levantada de que o comportamento sob fluência da mistura idealizada é controlada pelos parâmetros viscoelásticos da fase representada pela a argamassa asfáltica. The aim of this research is to carry out an experimental and numerical study of the influence of the asphaltic mortar into the fluency of an idealized mixture. This mortar is a blend of small calcareous dolomitic aggregates with maximum nominal size #10 of 2,00mm, and an asphaltic binder modified by type PG 76-22 polymers. The experimental design aimed at obtaining the optimal proportion of binder for the mixture of asphaltic mortar since the beginning. Several mini samples (MS) were prepared in order to define the binder proportion, having dimensions of 50mm of diameter and approximately 35mm of height. The fabrication of these MSs implied the calibration of a static compaction method, showing good results in the reproduction of the physical and volumetric properties. These MSs were submitted to static fluency tests with the aim of measuring the variation of their viscoelastic properties, represented by a Prony series, with respect to the volumetric properties. The influence of the volume of gross aggregate in the variation of the viscoelastic properties is verified by using an idealized material. To do so, several MSs consisting in asphaltic binder and steel spheres having diameter of 12 mm, simulating the gross aggregate, were produced. The behaviour of the MSs is simulated with the Finite Element Method (FEM), considering them as an equivalent continuum whose constitutive properties are determined by the coefficients of the Prony series. The MSs containing steel spheres are modeled as a biphasic and triphasic material. The biphasic model consists of asphaltic mortar and steel spheres, and the triphasic model contains a third phase that is the empty volume. The accuracy of the results increases as the number of phases of the numerical model increases too, when compared with the experimental values. This result was observed with a decrease of the mean relative error, which was 8%, 5% and 2% for the equivalent homogeneous, biphasic and triphasic models respectively. The changes of the mixture caused by the variation of the rigid material are also analyzed. The influence of the interface between the asphaltic mortar and the steel spheres is numerically studied. This interface is analized with and without the presence of friction between the surfaces, showing a change in the behaviour of the mixture with the variation of the friction coefficient. The numerical and experimental studies confirm the hypothesis made.

Dissertação (mestrado)—Universidade de Brasília, Faculdade de Tecnologia, Departamento de Engenharia Civil e Ambiental, 2017. O objetivo principal desta pesquisa é contribuir para o entendimento do comportamento de resistência e deformabilidade de rochas sãs, com base em uma abordagem discreta, utilizando o Método dos Elementos Discretos (DEM) e modelos de contato e de cimentação entre grãos adequados para este tipo de geomaterial. Para tanto, tomou-se como base uma série de ensaios laboratoriais disponíveis na literatura internacional. Os dados são relativos a uma rocha magmática, conhecida como granito do Lago de Bonnet (Lac du Bonnet granite), e incluem resultados de ensaios de compressão simples, resistência à tração por compressão diametral e triaxiais convencionais. Nesta dissertação foram reproduzidos os ensaios de compressão simples e tração indireta. Para realização das análises via DEM adotou-se o software STAR-CCM+, que é um programa relativamente novo, com uma boa base de modelos e foi disponibilizado para avaliação pelos fornecedores. O primeiro desafio é gerar um pacote de partículas com uma distribuição espacial de cimentação que seja computacionalmente aceitável e que possa reproduzir os parâmetros macroscópicos de deformabilidade e de resistência observados nos ensaios. Amostras cilíndricas de 60 mm de altura por 30 mm de diâmetro foram geradas com uma combinação de técnicas, conhecidas por oversetting e trimmed mesh, e o empacotamento denso de partículas foi obtido por deposição gravitacional em camadas. Foram utilizadas cerca de 5000 partículas esféricas com diâmetro médio de 2,12 mm para viabilizar o tempo de cálculo. Um segundo passo crítico consiste na escolha dos modelos de contato. Foram testados o modelo sem deslizamento de Hertz-Mindlin e o modelo linear tradicional. Para a ligação entre partículas adotou-se o modelo de partículas cimentadas BPM (Bonded Particle Model), baseado na teoria de vigas. Os melhores resultados foram obtidos com a combinação do modelo de contato linear com o BPM, com os quais foi possível reproduzir qualitativamente e quantitativamente os diversos estágios de evolução de dano numa amostra de rocha sujeita a compressão simples. Estes estágios incluem uma acomodação inicial, uma fase linear elástica, uma fase de iniciação estável de fissuras, uma fase de fissuramento instável com dilatância volumétrica, chegando ao pico de resistência, seguido de uma ruptura frágil pós-pico. A identificação destes estágios está diretamente relacionada com a evolução das quebras de cimentação entre os grãos. O mesmo conjunto de parâmetros calibrado para o ensaio de compressão simples foi usado para reprodução dos ensaios de tração indireta. O mecanismo de ruptura neste ensaio foi reproduzido adequadamente, porém o valor de resistência à tração foi superestimado em função de se ter adotado o mesmo valor de resistência para a cimentação sob tração e cisalhamento. Finalmente, fez-se uma análise paramétrica da influência do módulo de Young e do tamanho das partículas em algumas propriedades macroscópicas adotadas em modelos fenomenológicos do tipo elástico perfeitamente plástico. Desta análise conclui-se que a resistência a compressão da amostra aumenta e a deformação na ruptura diminui com o aumento da rigidez dos grãos. Conclui-se também que a resistência à tração aumenta, enquanto a resistência a compressão e o módulo de Young macroscópicos diminuem à medida que se aumenta o tamanho dos grãos, mantendo-se constante o tamanho da amostra. Foram estabelecidas equações de ajuste logarítmicas para estas relações, as quais apresentam dispersão crescente à medida que se aumenta o tamanho dos grãos. A partir destas relações fica evidente que a abordagem contínua pode ser utilizada quando da relação entre o diâmetro da amostra e o diâmetro do grão excede cerca de 20 vezes; caso contrário deve-se dar preferência a uma abordagem discreta, a depender da propriedade de interesse. The main objective of this research is gaining insight about characteristics of deformability and strength of sound rock samples. A discrete numerical approach based on the Discrete Element Method (DEM), together with appropriate particle contact and bonding models, is adopted. Laboratory data available in international literature is used to calibrate the models. These data include unconfined compression, indirect tensile and conventional triaxial tests carried out in Lac du Bonnet granite. Unconfined compression and indirect tensile tests were simulate using STAR-CCM+, a relatively new software, with a good library of contact models. The first challenge is to generate a dense packing of spherical particles with a spatial distribution of particle bonds, capable of reproducing the observed macroscopic behavior in an acceptable computational time. Cylindrical samples, 60 mm in height by 30 mm in diameter, were generated using a combination of oversetting and trimmed mesh techniques. The cylinder was filled with a dense packing of 5000 particles with an average diameter of 2.12 mm, using gravity deposition in successive layers. The second critical step is the definition of the interparticle models. The simple linear and the no-slip Hertz-Mindlin contact models were evaluated in combination with the BPM (Bonded Particle Model) for the cementation. The best results were with achieved with linear contact plus BPM combination, which reproduced accurately, qualitatively as well as quantitatively, the several stages of damage evolution within a sample of rock under unconfined compression. These stages include an initial accommodation, a linear elastic section, a region of crack initiation, then an unstable crack propagation stage with volumetric dilatance, followed by the peak strength and a post-peak fragile failure. It was found that the identification of these stages bear close relation with the plot of evolution of debonding between particles in the numerical test. The same set of parameters calibrated from simple compression tests was used during the simulation of the Brazilian indirect tensile test. The failure mechanism during this test was accurately reproduced, but the tensile strength was overestimated, because the same microscopic strength parameter was used for the cementation under tension and shearing. Finally, a parametric analysis was carried out to verify the influence of grain parameters, such as Young modulus and particle size, on the macroscopic parameters of the elastic perfectly plastic Mohr-Coulomb model. It could be observed that unconfined strength increases and the strain level at failure decreases for increasing values of particle Young modulus. It was also noticed that the tensile strength increases, while the unconfined strength and overall Young modulus decreases, for increasing grain diameters, provided that the sample diameter is kept constant. Logarithmic regression curves were adjusted for these relations, which also show higher dispersion around the mean value as the grain size increases. Based on these evidences, it is concluded that a continuum approach may be justified when the sample diameter exceeds about twenty times the grain size diameter; otherwise a discrete approach should be preferred depending on the property under investigation.

Dissertação (mestrado)—Universidade de Brasília, Faculdade de Tecnologia, Departamento de Engenharia Civil e Ambiental, 2017. O dano em pavimentos flexíveis devido a tensões e deformações causadas pelo tráfego e por fatores ambientais é manifestado em grande parte dos casos em trincamento por fadiga. A resistência à fadiga é a habilidade de suportar carregamentos repetidos sem que haja o desenvolvimento de trincas e está associada à rigidez do material. Apesar das vantagens obtidas pela modificação do ligante com Borracha Moída de Pneus (BMP) pela via úmida, sua fabricação requer instalação de equipamentos específicos na usina, além de elevada temperatura e tempo de mistura. Neste contexto, novos materiais como os grânulos de borracha pré-ativados (RARReacted and Activated Rubber) e borracha peletizada (Pellet) surgiram com a proposta de simplificar do processo de usinagem (como o realizado na mistura asfáltica obtida pela via seca) e obter desempenho superior (como a mistura asfáltica obtida pela via úmida). Pesquisas recentes têm adotado critérios de análises menos empíricos e mais mecanísticos de avaliação dos materiais empregados na pavimentação. Desta forma, o presente trabalho analisou o comportamento reológico e a resistência à fadiga de um ligante base (CAP 50/70), de ligantes modificados e de misturas de granulometria descontínua produzidos com adição de Pellet e RAR. Os ensaios de caracterização reológica tiveram embasamento na Teoria da Viscoelasticidade e no princípio de superposição tempo-temperatura o que possibilitou criar as chamadas curvas mestras para os ligantes e para as misturas asfálticas. As análises do comportamento à fadiga, foram realizadas sob o conceito de VECD (ViscoElastic Continuum Damage) para os ligantes, enquanto as misturas produzidas foram avaliadas com base nas tradicionais curvas de Whöler. Todos os ensaios de caracterização reológica e fadiga nos ligantes foram realizados no reômetro de cisalhamento dinâmico (DSR) e para as misturas asfálticas no equipamento de viga à flexão em quatro pontos (4PB). Os resultados mostraram que a modificação do ligante convencional CAP 50/70 por Pellet e RAR aumenta os valores de módulo dinâmico |G* | e reduz a suscetibilidade em relação à frequência/temperatura. Estes resultados implicaram em aumento da vida de fadiga e diminuição da sensibilidade ao dano nos ligantes asfálticos estudados. Nas misturas asfálticas a modificação por asfaltos-borracha de 4ª geração resultou em redução dos valores de |E* | e consequente aumento da vida de fadiga comparada a uma mistura asfáltica produzida por via úmida local (field blend). Damage to flexible pavements due to stress and strain caused by traffic and environmental factors is manifested in most cases in the form of fatigue cracking. Fatigue resistance is the ability to withstand repeated loads without cracking and is associated with stiffness of the material. Cracking can be reduced using modified asphalt binder with the incorporation of ground scrap tyre rubber to produce asphalt-rubber via the wet process. This process results in a highly viscous material with enhanced engineering properties, but requires a specific equipment that is typically installed at the job site, or close to the supplying asphalt plant and its manufacture requires high temperature and long mixing time. In this context, alternatives materials such as Reacted and Activated Rubber - RAR and Pellet rubber were developed with the purpose to simplify the manufacturing process (as in the asphalt mixture obtained by the dry process) and to enhance the performance of the asphalt mixture (as the asphalt mixture obtained by the wet process). Recent researches have adopted less empirical and more mechanistic criteria for the evaluation of materials used in flexible pavements. Therefore, the present research analyzed the rheological behavior and the fatigue resistance of a neat binder (CAP 50/70), modified binders and gapgraded mixtures produced with addition of Pellet and RAR. The binders and asphalt mixtures rheological characterization tests were based on the Linear Viscoelasticity Theory and the principle of time-temperature superposition, which made it possible to create the so-called master curves. Binder fatigue was determined using the Linear Amplitude Sweep (LAS) test and behavior analyses were performed under the Viscoelastic Continuum damage - VECD concept, while the mixtures produced were evaluated based on the traditional Whöler curves. All the rheological characterization and fatigue tests on the binders were performed using the dynamic shear rheometer (DSR) and asphalt mixtures tested in the four-point bending (4PB) beam equipment. The results showed that modification of the conventional binder CAP 50/70 by Pellet and RAR increases the values of dynamic shear modulus |G* | and reduces susceptibility to frequency / temperature. These results imply increased fatigue life and decreased sensitivity to damage in the studied asphalt binders. In the asphalt mixtures the modification by alternatives materials resulted in reduction of the values of |E* | and consequent increase in the fatigue life compared to field blend asphalt mixture.

Dissertação (mestrado) — Universidade de Brasília, Faculdade de Tecnologia, Departamento de Engenharia Civil e Ambiental, 2016. O solo é um material granular que tem seu comportamento macroscópico dependente da das propriedades dos grãos que o compõem e da forma com que esses grãos interagem com os demais ao seu redor. Portanto pode-se dizer que o solo se comporta de forma discreta. Por esse motivo a abordagem contínua geralmente utilizada não é capaz de prever algumas de suas respostas a determinadas solicitações, principalmente nos casos de carregamentos cíclicos ou quando se sai do regime de pequenas deformações. Além disso, existe uma grande dificuldade de estudar em escala tridimensional, no laboratório, o comportamento de cada um dos grãos que compõem uma dada amostra. Nesse contexto justifica-se a utilização do Método dos Elementos Discretos (DEM) para que se possa realizar simulações numéricas de ensaios convencionais da Geotecnia e entender como as propriedades e comportamento na escala dos grãos influenciam seus correspondentes na escala global. Como parte do processo de entendimento da influência dos grãos no comportamento macroscópico é necessário, em primeiro lugar, calibrar os parâmetros do modelo numérico para que as simulações reflitam a realidade. Mais do que isso, é necessário saber qual conjunto de parâmetros das partículas irá levar a amostra a um dado comportamento previamente estipulado. Essa pesquisa foi focada na influência do atrito interparticular nas propriedades globais do meio, em especial no atrito macroscópico. Para isso ensaios oedométricos e triaxiais em estado plano de deformações foram simulados numericamente com o software de código aberto Yade. Observou-se que o atrito microscópico influencia o comportamento tensão-deformação do meio, em que um aumento do atrito interparticular leva a um aumento do módulo de Young e do atrito macroscópicos e a uma diminuição do coeficiente de Poisson global da amostra. Curvas e equações que mostram a relação entre esses parâmetros foram determinadas e um modelo do comportamento tensão-deformação foi proposto para solos compactos. O estado plano de deformações foi utilizado com o objetivo de minimizar o custo computacional do DEM, contudo a conjunção desse estado com o DEM apresentou uma desvantagem em termos de liberdade de rearranjo das partículas, que possuem dificuldade bastante maior de movimentação quando comparado a casos triaxiais. Por fim, o Método dos Elementos Discretos mostrou-se capaz de representar materiais granulares de forma realista. Soil is a granular material which has its macroscopic behavior dependent on the properties of the grains that compose it and on the way that these grains interact with their neighbors. Therefore, it can be said that the soil behaves in a discrete manner. For this reason, the commonly used continuous approach is not able to predict some soil’s responses in all the possible events, especially in the presence of cyclic loading or when it leaves the small strain regime. Furthermore, there is great difficulty studying the behavior of each of the grains that compose a given sample in three-dimensional laboratory tests. In this context it is appropriate to use the Discrete Element Method (DEM) in order to perform numerical simulations of conventional geotechnical tests and understand how the properties and behavior at the grain scale influence on the sample’s global scale response. As part of the process of understanding the influence of grains in the macroscopic behavior it first necessary to calibrate the numerical model parameters so that the virtual simulations behave as the laboratory tests. Furthermore, it is necessary to know which set of particle parameters will lead the virtual sample to a given previously stipulated behavior. This research was focused on the influence of interparticle friction in the overall properties of the soil, mainly in its macroscopic friction angle. For this, oedometric and triaxial tests were numerically simulated in plane strain state with the aid of the open source software Yade. It has been observed that that the microscopic friction angle influences soil’s stress-strain behavior, in which an increase in interparticle friction leads to an increase of macroscopic Young's modulus and friction angle and to a decrease in the Poisson's ratio of the sample. Curves and equations that show the relationship between these parameters were determined and a model for the stress-strain behavior of compact soils was proposed. The plane strain state was used to minimize the computational cost of the DEM, but the conjunction of this state with the DEM presented a disadvantage in terms particles rearrangement freedom, which have greater difficulty in moving inside the packing when compared to triaxial simulations. Finally, the Discrete Element Method proved to be able to realistically represent granular material behavior.

Tese (doutorado)—Universidade de Brasília, Faculdade de Tecnologia, Programa de Pós-Graduação em Geotecnia, 2016. O entendimento do comportamento dos solos, comumente, tem sido interpretado com base na mecânica do meio contínuo. Para isso, modelos constitutivos fenomenológicos devem ser formulados, a fim de representar o comportamento dos materiais em escala macroscópica, sem considerar a influência de fatores tais como a forma, a distribuição granulométrica, a quebra das partículas etc. Outra abordagem para esse problema é a mecânica dos meios descontínuos, a qual baseia-se na interação explícita dos elementos (partículas). Nesta abordagem é possível considerar diferentes caraterísticas na escala micro para a avaliação do comportamento de materiais granulares. Neste trabalho é estudada a influência de algumas caraterísticas em nível de partícula no comportamento de materiais granulares. São abordados, principalmente, os fenômenos de fragmentação de partículas e desestruturação de materiais cimentados. Para isto, foram executados ensaios de compressão confinada com esferas de vidro secas, com e sem cimentação artificial. Além disso, foi feito o monitoramento das emissões acústicas para compreender melhor os processos micromecânicos. Como complemento, foram registradas imagens microscópicas das partículas, úteis para as análises da evolução da forma do grão com o processo de quebra. Simulações numéricas simplificadas foram feitas com o objetivo de verificar a capacidade do Método dos Elementos Discretos reproduzir os fenômenos de quebra de partículas. Os resultados experimentais obtidos mostraram as mudanças de comportamentos de materiais granulares com e sem cimentação. Observou-se que o início da quebra das partículas ocorre para níveis de tensão elevados e não depende das condições iniciais de índice de vazios. Além disso, a evolução de quebra pode ser representada por vários índices propostos na literatura. Foram observados diferentes estágios de evolução da quebra de grãos e da cimentação, identificados com base em níveis de tensão e energia acústica acumulada emitida. Cada estágio pode ser delimitado por pontos de mudança, os quais estão relacionados com certos valores de índice de quebra e relação de aspecto. The overall behavior of soil has been commonly interpreted within the framework of continuum mechanics. Phenomenological constitutive models have been formulated to represent the observed behavior at the macroscopic scale, without taking into consideration the influence of important factors such as grain shape, grain size distribution and particle breakage. An alternative approach is provided by the discrete analysis, which is based on the explicit interactions between particles. Using this approach, it is possible to consider the influence of different grain characteristics on the behavior of granular materials. The research carried out in this thesis focuses on the phenomena of particle breakage and destructuration due to debonding. Strain controlled one-dimensional compression tests were carried out on glass spheres with and without artificial cementation. Acoustic emissions were monitored during these tests in order to gain further insight about the micromechanical processes. To complement the analyses, the fragmented glass spheres were subjected to laser scanning in order to evaluate the evolution of grain shape due to particle breakage. Simplified numerical simulations using the Discrete Element Method were performed in order to verify the effectiveness of this method to reproduce the phenomenon of particle breakage. The experimental results showed the gradual change of behavior of the material with and without cementation. It was observed that particle breakage takes place at relative high stress levels, and does not depend on the initial void ratio of the package. Furthermore, the evolution of this phenomenon can be represented using most of the particle breakage indices proposed in the literature. Different stages of fragmentation and debonding were identified based on the evolution of stress and accumulated acoustic energy emission. These stages are associated with critical points, which should be related to changes in breakage indices and aspect ratio.

Tese (doutorado)—Universidade de Brasília, Faculdade de Tecnologia, Programa de Pós-Graduação em Geotecnia, 2016. A pesquisa aqui apresentada foi desenvolvida baseada na premissa de que o resíduo de construção e demolição (RCD) pode substituir o agregado natural geralmente utilizado na construção de camadas de base em pavimentos rodoviários. Ensaios de módulo de resiliência, deformação permanente e sucção por papel filtro e translação de eixos foram realizados no RCD a fim de caracterizar a resposta mecânica do material sob diferentes solicitações de carga e umidade. Verificou-se que a maior degradação do material é gerada durante o processo de compactação e não durante a aplicação de cargas repetidas. Contudo, o incremento da tensão desvio ou uma pequena variação de umidade, interferem diretamente na resposta mecânica do tipo de RCD avaliado nesta pesquisa, sendo essa desfavorável quando aplicado um incremento na relação de tensões e no teor de umidade. Os modelos matemáticos empregados para ajustar os dados experimentais obtidos nos ensaios laboratoriais, permitiram avaliar o comportamento mecânico do RCD desta pesquisa em função da variação do nível de tensão aplicado e da umidade adotada no ensaio. As curvas de retenção de água permitiram verificar a variabilidade no comportamento hidráulico do RCD empregado nesta pesquisa. Também possibilitaram a determinação da curva de densidade de poros as quais definiram que o RCD avaliado apresentou três tamanhos de poro característicos. A resistência ao cisalhamento foi calculada indiretamente relacionando três diferentes ensaios de resistência aplicados no RCD. Os parâmetros da resistência ao cisalhamento saturados e não saturados foram apresentados. Por fim, uma simulação numérica empregando o software M-EPDG permitiu comparar as deformações da estrutura do pavimento quando construída com materiais convencionais e modificando a camada de base utilizando apenas RCD. Os resultados obtidos, permitem aceitar a hipótese de que o RCD avaliado é um material adequado para ser usado na camada de base, visto que o material deste estudo apresenta comportamento mecânico compatível com o agregado convencional empregado habitualmente no Distrito Federal na construção da camada de base. The hypothesis that the construction and demolition waste (CDW) can replace partially or completely the commonly used granular pavement layers have been investigated in this research. Tests such as resilient modulus, permanent deformation and suction using filter paper and axes translation methods were carried out to characterize the mechanical performance of the CDW under different load requirements and moisture content. It was verified that most of the degradation of the recycled aggregate is produced during compaction stage and not during cyclic loading. However, the increase of the ratio between deviatoric and confining stresses or slight changes in the moisture content affects directly the mechanical response of the CDW. The effect is more critical when both variables are increased simultaneously. The mathematical models used to adjust the obtained experimental data from the tests allowed to evaluate the mechanical performance of the CDW as a function of stress ratio and moisture changes. The water retention curves allowed verifying the variability in the hydraulic performance of the CDW. Furthermore, the pores density curves defined that the tested material have three characteristic pore sizes. Finally, a numerical simulation using M-EPDG allowed comparing the deformations of a pavement structure built with conventional materials and replacing the base with CDW. Based on the fact that the CDW shows a better mechanical performance compared to the conventional materials used in granular bases of pavements, the initial hypothesis is accepted. Esta investigación se desarrolló con la hipótesis de que el residuo de construcción y demolición (RCD), puede substituir de manera parcial o total los materiales granulares empleados de forma habitual en la construcción de las capas granulares de los pavimentos viales. Ensayos de módulo resiliente, deformación permanente y succión por los métodos de papel filtro y traslación de ejes, fueron aplicados en el RCD con el fin de caracterizar su respuesta mecánica, bajo diferentes solicitaciones de carga y humedad. Se verificó que la mayor degradación del agregado reciclado se presenta durante el proceso de compactación y no durante la aplicación de cargas repetidas. Sin embargo, el incremento de la tensión desvío o una pequeña variación en el contenido de humedad, interfieren directamente en la respuesta mecánica del RCD. Siendo esta desfavorable cuando las dos condiciones crecen. Los modelos matemáticos empleados para ajustar los datos experimentales obtenidos en los ensayos de laboratorio, permitieron evaluar el comportamiento mecánico del RCD en función de la variación de las tensiones e de la humedad evaluadas. Las curvas de retención de agua permitieron verificar la variabilidad en el comportamiento hidráulico del RCD. Además, fue posible determinar la curva de densidad de poros las cuales definieron que el material evaluado posee tres tamaños de poro característicos. La resistencia al cizallamiento se calculó de forma indirecta usando tres ensayos de resistencia. Los parámetros en el estado saturado y no saturado fueron presentados. Por último, una simulación numérica empleando el software M-EPDG permitió comparar las deformaciones de la estructura del pavimento construida con materiales convencionales y reemplazando la base con RCD. Los resultados obtenidos, permitieron aceptar la hipótesis inicial. Una vez que el RCD presenta un comportamiento mecánico mejor que el agregado convencional empleado en la construcción de bases granulares para pavimentos viales.

Dissertação (mestrado)—Universidade de Brasília, Faculdade de Tecnologia, Departamento de Engenharia Civil e Ambiental, 2015. Na presente pesquisa será desenvolvida uma análise numérica de fraturamento hidráulico utilizando o Método dos Elementos Finitos Estendido (XFEM). Com este método, pretende-se simular o mecanismo de início e propagação de trincas induzidas a partir da ponta de uma fratura inicial. O objetivo principal deste trabalho é aperfeiçoar a compreensão do fenômeno de fraturamento hidráulico. Entende-se que o problema de fraturamento hidráulico é um fenômeno que combina vários processos físicos, entre eles, o fluxo de um fluido, a deformação da matriz rochosa e a propagação das fraturas no meio, nesse sentido, as simplificações são imprescindíveis. Utiliza-se o XFEM para realizar a discretização espacial dos modelos. Esse método é considerado uma robusta ferramenta numérica para resolver problemas de descontinuidades. O fundamento do XFEM é o chamado Método de Elementos Finitos, adicionando a este graus de liberdade e funções de enriquecimento, que servem para descrever as descontinuidades locais do modelo. No XFEM, a geometria da fratura se torna independente da malha, permitindo a ela se movimentar livremente através do domínio, sem que haja a necessidade de um passo para adaptar a malha à descontinuidade. Realizou-se a validação do XFEM utilizando dois testes clássicos da Mecânica da Fratura: a viga apoiada em três pontos com carregamento centrado (SEN(B)); e o disco compacto submetido à tração (CDT). Adicionalmente um modelo de fraturamento hidráulico foi utilizado para estudar a influência de diferentes parâmetros do material e da geometria da fratura inicial. A simulação do início e propagação do fraturamento hidráulico realiza-se através de um modelo numérico bidimensional, em que o meio poroso é idealizado como linear elástico e o critério de propagação se baseia na taxa de energia liberada e nos fatores de intensidade de tensão. As soluções fornecidas pelo modelo numérico fundamentado no XFEM nos casos de validação e no caso de investigação são comparadas com os resultados obtidos a partir de dados experimentais e formulações analíticas, observando-se uma ótima concordância. Demostrou-se a capacidade do XFEM para resolver complexos problemas de propagação de fraturas. This research develops a numerical analysis of hydraulic fracturing using Extended Finite Element Method (XFEM). This method intend to simulate the initiation mechanism and propagation of cracks induced from the tip of an initial fracture. The main objective of this work is to improve the understanding of hydraulic fracturing phenomenon guided by an initial notch. It is understood that the hydraulic fracturing problem is a phenomenon that combines various physical process, including the fluid flow, the rock matrix deformation and the fracture propagation, however simplifications are essential. The XFEM is used to perform spatial discretization of the models. This method is considered to be a robust tool to solve numerical discontinuities problems. XFEM is the basis of the Finite Element Method (FEM), adding degrees of freedom and enrichment functions to describe the local discontinuities of the model. Through XFEM, the geometry of the fracture becomes independent of the mesh, it allows to move freely through the area without a step to adapt the mesh to the discontinuity. The validation of XFEM was performed using two classical tests of Fracture Mechanics: a single edge notched beam (SEN(B)) and the disk shaped compact tension test (CDT). Additionally, a hydraulic fracturing model is used to study the influence of various parameters of the material and geometry of the initial fracture. The simulation of hydraulic fracturing is accomplished by a two-dimensional numerical model, wherein the porous medium is idealized as linear elastic and the propagation criterion is based on the energy released rate and the stress intensity factors (SIF). The solutions provided by the numerical model based on XFEM are compared with experimental data and analytical formulations, giving it very good agreement. It has been shown the capability of the XFEM to solve complex fracture propagation problems.