Multiscale computational modeling of thermomechanical fracture in cementitious materials with application to recycled aggregate concrete
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Data
Autores
Orientador
Manzoli, Osvaldo Luís 
Coorientador
Rodrigues, Eduardo Alexandre
Pós-graduação
Engenharia Civil e Ambiental - FEB/FEG/ICTS
Curso de graduação
Título da Revista
ISSN da Revista
Título de Volume
Editor
Universidade Estadual Paulista (Unesp)
Tipo
Tese de doutorado
Direito de acesso
Acesso aberto
Resumo
Resumo (inglês)
A multiscale computational model is proposed to investigate the fracture behavior
of cementitious materials, including recycled aggregate concrete. The model evaluates the
thermomechanical response of the material by explicitly representing aggregates (natural
and recycled), mortar matrix, interfacial transition zones and reinforcements. The central
hypothesis is that refining the analysis scale enables the natural reproduction of
macroscopic behaviors otherwise difficult to capture. To model the complex compressive
failure mechanism, a combination of tensile and a shear-frictional damage models is
employed. The Mesh Fragmentation Technique with high aspect ratio interface elements
is used in a fully coupled thermomechanical framework. Additionally, a condensed twolayer interface element independently governed by distinct damage models is proposed.
The results obtained align with experimental data, highlighting the critical
influence of heterogeneous mesostructure on fracture mechanisms at both room and
elevated temperatures. The methodology was tested in 2D and 3D for concrete specimens
with varying mesoscopic compositions, geometries and material properties, verifying the
predictive capability under varied conditions. The model effectively reproduced key
features of the material response, including the sensitivity to friction conditions in
compression tests, the influence of specimen slenderness, and the impact of recycled
aggregate replacement ratio on the resulting stress–strain curves. A parametric sensitivity
analysis further highlights the predominance of mode-II parameters in specimens under
compression. Additionally, a stochastic thermomechanical analysis was conducted,
incorporating random fields of material properties to evaluate the variability of the
structural response. This approach effectively demonstrated the role of material
heterogeneity in the degradation of mechanical properties at elevated temperatures.
Resumo (português)
Um modelo computacional multiescala é proposto para investigar a fissuração em
materiais cimentícios, incluindo o concreto com agregados reciclados. O modelo avalia a
resposta termomecânica do material representando explicitamente agregados (naturais e
reciclados), matriz de argamassa, zonas de transição interfaciais e armaduras. A hipótese
central é que o refinamento da escala de análise permite reproduzir naturalmente
comportamentos macroscópicos complexos, que seriam de difícil captura em abordagens
convencionais. Para modelar o complexo mecanismo de ruptura em compressão são
empregados modelos de dano à tração e ao cisalhamento de forma combinada. A Técnica
de Fragmentação de Malha com elementos de interface de alta razão de aspecto é utilizada
em um modelo termomecânico totalmente acoplado. Além disso, é proposto um elemento
de interface condensado de duas camadas, governado por modelos de dano distintos.
Os resultados obtidos estão em consonância com dados experimentais, evidenciando
a influência da mesoestrutura heterogênea nos mecanismos de fratura em temperatura
ambiente e elevadas. A metodologia foi testada em análises 2D e 3D para corpos de prova
de concreto com diferentes mesoestruturas, geometrias e propriedades materiais,
confirmando a capacidade preditiva do modelo em diversas condições. O modelo reproduziu
de forma eficaz aspectos da resposta do material como a sensibilidade às condições de atrito
em ensaios de compressão, a influência da esbeltez dos corpos de prova e da taxa de
substituição por agregados reciclados nas curvas tensão–deformação. Uma análise
paramétrica de sensibilidade destacou a predominância dos parâmetros de modo-II em
amostras submetidas à compressão. Por fim, foi realizada uma análise termomecânica
estocástica, incorporando campos aleatórios de propriedades materiais. Essa abordagem
demonstrou o papel da heterogeneidade do material na degradação das propriedades
mecânicas em temperaturas elevadas.
Descrição
Palavras-chave
Multiscale modeling, Recycled aggregate concrete, Finite Element Method, Fracture Analysis, Thermomechanical coupling, Damage model, Modelagem multiescala, Concreto com agregado reciclado, Método dos elementos finitos
Idioma
Inglês
Citação
GIMENES, Marcela. Multiscale computational modeling of thermomechanical fracture in cementitious materials with application to recycled aggregate concrete. 2025. Thesis (Doctor of Civil and Environmental Engineering) – School of Engineering Bauru, São Paulo State University (Unesp), Bauru, 2025.
