The purpose of this research is to evaluate the performance of new corrugated-type embossments developed by Vulcraft Research and Development for their 2VLI and 3VLI composite deck. Performance of deck with the proposed embossment types is compared with that of deck with the existing embossment type, resulting in the recommendation of which type to further investigate for production. The evaluation consists of uniformly loaded full-scale slab tests whose flexural strengths are compared with those given by different strength prediction methods that are alternatives to full-scale testing. The methods used in this study are the First Yield Method (Heagler 1992), the ASCE Appendix D Alternate Method (Standard 1992), and Widjaja's (1997) Iterative Method. Shear bond tests are also performed for deck with each embossment type to evaluate shear resistance specifically, and to provide shear bond data needed to perform the Iterative Method. / Master of Science

[pt] Este trabalho objetiva o projeto, a construção e teste de um dispositivo para a recuperação da geometria de tubulações danificadas externamente por amassamento. O dano a ser reparado é caracterizado por mossas sem cava, implicando em uma alteração suave da superfície sem a ocorrência de defeitos ou de redução na espessura da parede do duto. Considera-se ainda que esta perturbação geométrica provocada pelo amassamento não afete a integridade de eventual cordão de solda presente na tubulação. Para a definição dos parâmetros geométricos dos corpos de prova, da carga de operação requerida nos ensaios e do material de construção do dispositivo (ferramenta) foram utilizados resultados de modelos analíticos aproximados e de soluções por elementos finitos. Neste caso, a representação da tubulação utilizada nos testes numéricos da operação do dispositivo considerou modelos com elementos de cascas finas incluindo efeitos não-lineares associados ao comportamento do material, a grandes deslocamentos e ao contato entre superfícies. Estas simulações numéricas permitiram avaliar-se as condições de solicitação e do funcionamento do dispositivo, necessárias para a execução dos procedimentos experimentais e para a identificação da integridade estrutural da tubulação ao final dos ensaios. Testes experimentais de operação do dispositivo foram realizados em dois especimens tubulares de aço: API5LGrB, com valor nominal de diâmetro 355.6mm (14aspas) e espessura 6.35mm (0.25aspas), ambos com 5m de comprimento. Nestes especimens, também instrumentados com extensômetros elétricos, foram inicialmente impostos amassamentos por punções com geometrias padronizadas do tipo esférico e cilíndrico (especimens de aço API5LGrB) e que resultaram na redução em 15% no diâmetro da tubulação. Em seguida, utilizando-se o dispositivo projetado para o desamassamento dos dutos, promoveu-se a recuperação da geometria de forma a deixar aparente uma indentação não superior a 5% do seu diâmetro nominal. Ensaios de inspeção não-destrutivos, realizados apos os procedimentos experimentais nos dutos, permitiram verificar-se a integridade das tubulações, revelando em ambos os casos a inexistência de descontinuidades na superfície do material . Utilizando- se ensaios numéricos e experimentais, uma metodologia foi desenvolvida para o dimensionamento , construção e a avaliação do protótipo de um dispositivo com as características de portabilidade e de operação adequadas à utilização com robôs autômatos de posicionamento remoto no interior de tubulações (G.I.R.I.N.O./CENPES, p. ex.). / [en] This work deals with design, construction and testing of a tool device for the repair of externally damaged pipes. It is aimed for repairing the so called smooth plain dent type of damage, with no reduction in the pipe wall thickness or any damage in the pipe welding. Geometric parameter definitions and required loading for the testing specimens and, the requirements for material properties to the device design and operation were obtained using simplified analytic solutions and finite element modeling analyses. Tested pipes were first numerically evaluated using finite element analyses, comprising thin-wall shell element models with non-linear material behavior, large displacements and surface contact effects. These numerical simulations allowed for the device functioning and loading evaluations, set requirements for the experimental procedure used and furnished a measure for the pipe structural integrity at the experiment`s onset. Experiments were performed on two 355.6mm diameter, 5m long , API class steel pipes: 5LGrB, with 6.35 thickness. Dents were applied to these specimens, monitored by electric strain-gages, by indenter tools with standard cylinder and sphere surface shapes causing a 15% reduction in the pipe diameter. Recovering of each pipe cross-section roundness was then imposed by a designed tool device, restoring its diameter measure to more than 95% of its original (nominal) value. Following this procedure, non-destructive tests were done with the pipes, with no damages in their material integrity found. Considering the obtained numeric and experimental results, a methodology has been proposed for design, construction and evaluation of a prototype device for piping damage recovery with the characteristics of good portability and operation, allowing for its use with remote operated robots (G.I.R.I.N.O./CENPES, for example).

[pt] A termografia infravermelha tem sido usada como uma técnica de avaliação não destrutiva para detectar falhas nos componentes estruturais, desempenhando um papel importante nos programas de inspeção de fabricação, inspeção em serviço e manutenção. Um programa de investigação foi lançado com o objetivo de apresentar combinações de métodos analíticos, experimentais e numéricos para prever e monitorar o início da fadiga e a progressão dos danos à fadiga em equipamentos como vasos de pressão, tanques, tubulações e dutos com mossas ou anomalias complexas. O monitoramento do início e propagação da fadiga nas amostras reais utilizou técnicas de inspeção por infravermelho não destrutivo. Análise termoelástica de tensão (TSA), correlação tridimensional de imagem digital (3D-DIC) e strain gages de fibra óptica Bragg (FBSG) foram utilizados para determinar deformações em locais de fadiga em pontos críticos. Os campos de deformação determinados a partir das medições experimentais e do método de elementos finitos (MEF) foram combinados com a equação de vida-de-fadiga de Coffin-Manson e a regra de dano por fadiga de Miner para prever a vida de fadiga (N). Os resultados das amostras tubulares testadas de 3 m de comprimento contendo mossas de formato complexo foram relatados e analisados completamente. Este trabalho confirmou que os métodos infravermelhos de avaliação rápida de fadiga são ferramentas práticas e eficientes que podem fornecer resultados confiáveis, não destrutivos e rápidos acerca do comportamento à fadiga dos materiais. Uma boa concordância entre as estimativas de vida em fadiga e a vida real de mossas com geometria complexas em dutos só pode ser atingida se medições precisas ou determinações numéricas das deformações circunferenciais que atuam nos pontos de interesse forem acopladas a curvas de fadiga deformação-vida adequadas. Acoplando uma técnica experimental para determinar com precisão a geometria das mossas com uma técnica de análise numérica de deformações fará com que sejam obtidas boas estimativas de deformação das posições críticas que serão combinadas com as curvas de fadiga baseadas na relação deformação-vida. As presentes conclusões podem ser aplicadas a outras estruturas que podem apresentar mossas, como tanques e vasos de pressão. / [en] Infrared thermography has been used as a nondestructive evaluation (NDE) technique to detect flaws in structural components, playing an important role in manufacturing inspection, in-service inspection and maintenance programs. An investigation program was launched with the objective of presenting combinations of analytical, experimental and numerical methods to predict and monitor fatigue initiation and fatigue damage progression in equipment such as pressure vessels, tanks, piping and pipelines with dents or complex-shaped anomalies. The monitoring of fatigue initiation and propagation in the actual specimens used nondestructive inspection techniques such as thermoelastic stress analysis (TSA), three-dimensional digital image correlation (3D-DIC) and fiber optic Bragg strain gages (FBSG) to determine strains at fatigue hot spots locations. Strain fields determined from the experimental measurements and from the finite element method (FEM) were combined with the fatigue Coffin-Manson strain-life equation and the Miner s fatigue damage rule to predict fatigue life (N). Results from tested 3m long tubular (with nominal dimensions: 324mm external diameter and 6.35mm wall thickness) specimens containing complex-shaped dents were reported and fully analyzed. This work confirmed that infrared rapid fatigue assessment methods are practical and efficient tools that can provide a reliable, non-destructive and faster results about the fatigue behavior of materials. Good agreement among fatigue life estimations and actual fatigue lives of complex dent shapes in pipeline specimens can only be achieved if accurate measurements or numerical eterminations of the circumferential strains actuating at the dent hot-spots were coupled with suitable fatigue strain-life curves. Coupling an experimental technique for accurately determining dent shapes to a numerical strain analysis technique will lead to good hot-spot strain estimations to be combined with the strain-life fatigue curves. The present conclusions can be applied to other structures that may present dents such as tanks and pressure vessels.

[pt] Neste trabalho são apresentados conceitos usados na avaliação da confiabilidade estrutural com o objetivo de calcular a probabilidade de falha de uma estrutura enquanto ela atende aos fins para os quais foi projetada durante sua vida útil. Uma metodologia de análise de confiabilidade estrutural foi desenvolvida, tendo como foco os dutos de transporte de óleo e gás natural, embora possa ser aplicada a diferentes equipamentos. A metodologia permite o acoplamento de diferentes eventos que possam ocorrer na vida de uma estrutura. Entende-se por eventos a aparição de defeitos por diferentes vias: processos corrosivos, danos por terceiros, operações incorretas, etc., ou, eventos relacionados à inspeção da estrutura, duto ou equipamento. Cada evento é descrito por uma função de estado limite do tipo capacidade x demanda. O acoplamento desses estados limites é dado pela união ou interseção deles (sistemas em série, paralelo, ou combinação deles). A análise é reduzida ao cálculo da confiabilidade de um sistema, cuja solução é feita usando a função padrão multinormal e os métodos de primeira ordem FORM, para o cálculo da probabilidade de falha de cada estado limite, e os métodos do produto das probabilidades condicionais PCM e I-PCM, para o cálculo da probabilidade de falha do sistema através da integral multinormal. As informações obtidas dos resultados desta metodologia podem ser úteis na geração de planos de inspeção, análises preditivas e análises de risco, para contribuir na tomada de decisões sobre prazos e técnicas de inspeção a serem empregadas. A metodologia mencionada acima pode ser implementada em um programa de gerenciamento de confiabilidade estrutural, o qual deve ser capaz de acoplar todos os eventos, os dados conhecidos, as incertezas próprias dos dados e as novas informações ao longo da vida útil de uma estrutura. / [en] This work presents concepts used in the assessment of structural reliability in order to calculate the probability of failure of a structure as it serves the purposes for which it was designed during their lifetime. A methodology for structural reliability analysis has been developed for the pipeline transportation of oil and natural gas, although, this methodology can be applied to different equipment. The methodology allows the coupling of different events that may occur in the life of a structure. The events can be understood as defects by corrosion, damage by third parties, incorrect operations, etc. or events related to inspection of the structure, pipeline or equipment. Each event is described by a limit state function of the type capacity vs. demand. The coupling of these states limit is given by the union or intersection of these (series systems, parallel systems, or combination of them). The analysis is reduced to system reliability computation and the solution is reached using the integration of the standard multinormal function and first order reliability methods- FORM to calculate the probability of failure of system. The multinormal integral is computation using the product of conditional marginal method-PCM and the improvement of PCM method. The results obtained of this methodology may be useful in the generation of inspection plans and in predictive and risk analysis. The methodology described can be implemented in a structural reliability management program. The program should be able to coupling all events that occur in the lifetime of a pipeline or structure.

[pt] Nos trabalhos já concluídos nesta linha de pesquisa foram desenvolvidos protótipos de deck-metálico (steel-deck), empregando-se diversas formas de ligação entre a chapa de aço e o concreto armado, tais como: corrugações de alma (Andrade, 1986), parafusos auto-brocantes (Takey, 2001), septos em perfís tipo bandeja (Vieira, 2003) e corrugações circulares profundas (Beltrão,2003). Com a intenção de se desenvolver um novo perfil metálico que apresentasse uma boa aderência mecânica entre o concreto e o aço e com características de comportamento dúctil, estudou-se várias formas da seção transversal ideal. Variáveis como peso, altura, espessura, tensão de escoamento, vão máximo, e capacidade de suporte de carga foram consideradas. Após definição e otimização da seção do perfil metálico, foi efetuado um estudo experimental composto de uma série de ensaios. Foram executados dois ensaios de arrancamento (pull-out), nove ensaios de flexão do perfil metálico e um ensaio em escala real da laje mista. Os ensaios tipo pull-out foram executados para estabelecer a carga última de deslizamento na interface aço/concreto. Os ensaios dos perfis metálicos serviram para verificar a rigidez dos mesmos durante a fase de concretagem. Procurou-se com o ensaio em escala real determinar a resistência última da estrutura, o modo de ruína, as deflexões e as deformações. A fase final compreendeu a comparação dos resultados experimentais com os dos trabalhos desenvolvidos por Takey e Beltrão, bem como com resultados teóricos para validação de resultados do sistema proposto de laje mista. / [en] The research work in composite slabs so far conducted has investigated various alternatives for the development of an economic and efficient composite slab system. These alternatives evaluated the effectiveness of the concrete to steel plate bonding by means of: web corrugations (Andrade, 1986), self-drilling bolts (Takey, 2001), cold formed channel sections with diaphragms (Vieira, 2003), and the used of deep circular corrugations, (Beltrão, 2003). The present investigation main objective was to develop a cold formed profile presenting an efficient connection between the concrete and the steel profile that yields a ductile behaviour for such system. The first step of the investigation was devoted to the assessment of an optimum cold-formed profile geometry. This task was made taking into account parameters like: profile weight, plate thickness, yield stress, maximum span and load carrying capacity among others. Following the definition of the optimum cold formed steel profile an experimental program was conceived and executed. The first part of the experiments consisted on pull-outs tests made to access the concrete to steel bond resistance. This was followed by simple supported tests on the cold formed steel profile to evaluate their stiffness during concrete casting operation. Finally a full-scale composite slab system was performed. The main aim of this test was to determine the composite system load carrying capacity, typical failure modes, associated stresses and displacements. The final phase of this dissertation depicts comparisons of the already mentioned experiments to other tests made by Takey (Takey, 2001), and Beltrão (Beltrão, 2003), as well as comparison of theoretical results, to validate the proposed composite slab system results.