| Summary: | Dissertação de Mestrado em Engenharia Mecânica Em estruturas entalhadas, o comportamento à fratura de materiais quase frágeis como a madeira, o osso, o betão, o gelo glaciar, algumas argilas, entre outros, é caracterizado pela formação de uma zona de dano localizada na extremidade da fenda, de dimensões não negligenciáveis quando comparadas com as da estrutura. Nessa zona de dano, designada por zona de processo de fratura (ZPF), ocorrem vários mecanismos de endurecimento, tais como micro fendas, ramificação de fendas ou pontes de fibras, responsáveis pela redistribuição das tensões locais, favorecendo a dissipação de energia na frente de fenda. Estes fenómenos de degradação localizada são responsáveis pelo desenvolvimento de uma curva de Resistência, que permite estimar, em regime estacionário, a taxa crítica de libertação de energia de fratura GRc. Uma limitação que resulta diretamente do desenvolvimento da ZPF é a impossibilidade de se medir o comprimento de fenda real. Assim, a Teoria da Mecânica da Fratura Linear Elástica nestes casos não tem validade, pelo que se impõe a utilização de métodos alternativos baseados no conceito de fenda equivalente, no sentido de descrever os fenómenos de degradação observados no material. A rotura de materiais quase frágeis ocorre, frequentemente, na extremidade de entalhes pontiagudos (i.e descontinuidades geométricas resultantes dos processos de fabrico). Nestes casos, a aplicação dos critérios convencionais baseados na Teoria da Resistência dos Materiais origina o aparecimento de singularidades nos campos de tensão (i.e, as tensões tendem para infinito), o que obviamente não retrata a realidade física. Por outro lado, o uso de critérios puramente baseados na Mecânica da Fratura está dependente da existência de uma fenda ou defeito no material, cuja localização poderá não ser óbvia numa estrutura real. Assim, adquire especial relevo a aplicação de modelos coesivos, que permitem ultrapassar as desvantagens inerentes à aplicação da Teoria da Resistência dos Materiais e da Mecânica da Fratura. De facto, estes modelos recorrem à Teoria da Resistência dos Materiais para simular a iniciação do dano, e à MF para lidar com a sua propagação. Torna-se assim desnecessária a consideração de um defeito inicial, e os problemas associados às singularidades dos campos de tensão são assim minimizados. Os modelos coesivos baseiam-se numa relação que traduz a redução progressiva das tensões ( σ ) em função dos deslocamentos relativos entre as faces de uma fenda (w), simulando assim uma degradação progressiva das propriedades do material. Consequentemente, a determinação da lei coesiva ( σ = f (w) ) é fundamental para o correto dimensionamento de estruturas de madeira. Neste trabalho realizou-se um estudo experimental envolvendo a geometria tapered double cantilever beam (TDCB), tendo em vista a avaliação da taxa crítica de libertação de energia em modo I, GRc, com o propósito de avaliar a eventual existência de efeito de escala sobre GRc. Para o efeito, escolheu-se a madeira de pinho marítimo (Pinus pinaster Ait.) como material de teste, tendo-se ensaiado provetes geometricamente semelhantes (dimensões homotéticas), com dimensões distintas, cobrindo um rácio dimensional (size range) de 1:2,25. Utilizaram-se algoritmos genéticos (AG) no sentido de identificar os parâmetros da lei de dano de Petersson (lei bilinear), por combinação de informação numérica, dada pelo Método dos Elementos Finitos (MEF), com informação experimental, obtida nos ensaios de fratura (i.e, curvas força-deslocamento). Para além deste procedimento, pôs-se em prática um método de identificação da lei de dano do material, por aplicação técnica de correlação digital de imagem (CDI). Os resultados providenciados pelos dois métodos (i.e, AG e CDI) foram posteriormente comparados. In notched structures, the fracture behaviour of quasi-brittle materials such as wood, bone, concrete, sea ice, some clays, among others, is characterized by the development of a damaged zone near the crack tip during the propagation phase and of non neglecting dimensions when compared with the ones of the structure. In this damaged zone, known as fracture process zone (FPZ), softening mechanisms take place such as micro cracking, crack ramification and fibber bridging, responsible for local stress redistribution on the crack tip, favouring fracture energy dissipation on the crack region. These softening phenomena are accountable for the development of the R-curve, which can estimate, in stationary regime the fracture critical energy rate GRc. A constraint that elapses from the development of the FPZ is the unfeasibility to monitor the crack length. Being so, linear elastic fracture mechanics (LEFM) is not valid. Therefore, alternative methods based on the equivalent crack length principle based on the compliance evaluation are used to describe softening phenomena observed in the material. Fracture of quasi-brittle materials frequently occurs in sharp edge notches (i.e., geometrical discontinuities often derived from fabrication processes). In this cases, the use of conventional criteria based on Material Resistance Theory spawns the development of stress field singularities (i.e, infinite tending stresses) witch obviously do not portray physical reality. On the other side, the use of criteria purely based on the Fracture Mechanics is dependent on the existence of a crack or material defect, whose localization in a real structure may not be obvious. Being so, cohesive model application assumes special relevance, which permits to overtake the disadvantages inherent to the Material Resistance and Fracture Mechanics Theories. In fact, those models use the Material Resistance Theory to simulate damage initiation and FM to deal with propagation. Therefore, it is unnecessary to consider an initial defect and the problems associated with stress field singularities are minimized. Cohesive models are based on a relation that translates the progressive stress (σ ) reduction in order to the relative displacement between crack (w) faces, thus simulating the material properties progressive degradation. Consequently, the evaluation of the cohesive law (σ = f (w)) is fundamental to accomplish a correct dimensioning of wood structures. In this thesis an experimental study was performed involving the tapered double cantilever beam (TDCB) geometry, envisaging the determination of fracture toughness in mode I, GRc, in the TL propagation system. Being so, maritime pine wood (Pinus pinaster Ait.) was chosen as test material. Additionally, a study was made involving the size effect in GRc. Thus, three series of twelve geometrically similar specimens were prepared, with different sizes (homothetic dimensions), covering a size range of 1:2,25. Genetic algorithms (GA) where used envisaging the identification of the Petersson damage law (Bilinear law), by combining numerical information, given by the Finite Element Method (FEM), with experimental data, obtained with the fracture tests (i.e load-displacement curves). Besides these procedures, a method biasing the identification of the material damage law was used via digital image correlation (DIC). The results given by this two methods (i.e GA and DIC) where compared.
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