[pt] A resistência a fadiga dos elementos estruturais pode ser limitada pela presença de trincas curtas, as quais podem passar despercebidas em inspeções não-destrutivas tradicionais. Para modelar o comportamento dessas trincas pode-se utilizar o tamanho característico das trincas curtas ao, proposto por El Haddad, Topper e Smith (ETS), que permite ajustar adequadamente os dados experimentais do diagrama de Kitagawa-Takahashi. Partindo do modelo ETS, neste trabalho se apresenta o modelo do Gradiente de Tensão (GT), desenvolvido para prever o efeito das trincas curtas que nascem em pontas de entalhes. Este modelo reconhece que trincas podem ser facilmente geradas por fadiga em entalhes afiados, que introduzem efeitos de concentração de tensão elevados nas suas pontas. Mas devido ao alto gradiente de tensão que atua em torno das pontas desses entalhes, as trincas curtas que deles emanam também podem parar de crescer por fadiga após terem se propagado por uma pequena distância, tornando-se assim trincas não-propagantes que podem ser toleradas em serviço. Corpos de prova tipo C(T) modificados foram projetados especificamente para estudar a geração e o crescimento inicial dessas trincas em ensaios de fadiga, e usados para verificar experimentalmente as previsões do modelo proposto. / [en] The fatigue strength of structural elements may be limited by the presence of short cracks, which can not be detected with traditional nondestructive inspections. The behavior of these cracks can be modeled using the characteristic size of short cracks a0, proposed by El Haddad, Topper and Smith (ETS), which allows one to properly adjust experimental data from the Kitagawa-Takahashi diagram. Based on the ETS model, this work presents the Stress Gradient (SG) model, developed to predict the effect of short cracks that grow from the notch tips. This model considers that cracks are easily generated due to fatigue in sharp notches, which introduce high stress concentration effects at their tips. Because of the high stress gradient acting at these notch tips, the short cracks can also stop to grow by fatigue after having propagated through a small distance, thereby becoming non-propagating cracks that can be tolerated in service. C(T) modified specimens were specifically designed to study the generation and initial growth of these cracks in fatigue tests, and used to experimentally verify the predictions of the proposed model.

[pt] Neste trabalho são investigadas experimentalmente e numericamente as mudanças de geometria em trincas inicialmente passantes submetidas a carregamento remoto de flexão pura induzindo fechamento parcial das faces da trinca. Esse crescimento de trinca pode ocorrer numa variedade de estruturas com defeitos pré-existentes, tais como fuselagens de aviões, cascos de navios, vasos de pressões e pontes metálicas. O carregamento de flexão pura ocasiona regiões de tração e compressão na frente da trinca. É inquestionável que parte das faces da trinca sob compressão fecha independentemente de qualquer mecanismo de fechamento; e outra parte das faces da trinca, por outro lado, sob tração cresce mudando gradualmente de geometria. Após realizar ensaios em corpos-de-prova de aço ASTM A-36, foi observado que tais carregamentos geram uma quina na frente da trinca, que é a transição de uma geometria parcialmente passante e um trecho remanescente da geometria inicial. Para entender a distribuição do fator de intensidade de tensão em tais frentes de trinca, suas geometrias foram reproduzidas em um modelador tridimensional de mecânica da fratura linear elástica, o FRANC3D, acoplado a um programa de análise de elementos finitos (ABAQUS). Com este sistema acoplado, foram executadas análises considerando efeitos não lineares causados pelo contato das faces da trinca sob compressão. Verificou-se a necessidade de propor metodologias para tratamento dos resultados numéricos na quina, obtendo-se predições eficientes das mudanças na geometria da trinca. Contudo, a estimativa de vida, quando se compara taxas de crescimento da trinca obtidas em um corpo-de-prova sob tração cíclica e as taxas em um corpo-de-prova sob flexão com fechamento parcial da trinca, foi melhor reproduzida usando um fator de correção de fechamento da trinca. Adicionalmente, uma série de expressões empíricas normalizadas para geometrias da trinca e fatores de intensidade de tensão são propostas. / [en] This work investigates experimentally and numerically how the front of initially through edge cracks in plate changes after they pass to be remotely fatigue loaded under pure bending to induce partial closure of the crack faces. This type of crack growth problem can occur in a variety of structures with preexisting defects, such as aircraft fuselages, ship hulls, pressure vessels components, and steel bridges. The bending loads induce tension and compression regions along the crack front, with the part of the crack faces that work under compression undoubtedly closed by the load, independently of any other closure mechanism. The part of the crack faces that work under tension; on the other hand, crack grows by fatigue gradually changing its shape. After performing tests on ASTM A36 steel specimens, it was observed that the bending load induces a kink on the crack front, in the transition between the part through crack created on the tension side and initial crack geometry. To understand the distribution of the stress intensity factor along such crack fronts, the measured crack shapes were reproduced in a three-dimensional fracture mechanics modeler (FRANC3D) coupled to a finite element analysis program (ABAQUS). With this coupled system, linear elastic stress analysis simulations were performed considering the nonlinear effects caused by the crack face contact in the compressed region. In particular, methods had to be proposed to treat numerical noise around the kink. The proposed methodology efficiently predicts the observed crack front shape changes; although the observed fatigue lives were better reproduced using a crackclosure correction factor when compared to crack growth data obtained from standard compact tension specimens. In addition, a series of normalized empiric expressions for both crack front shapes and stress intensity factors are proposed.

[pt] Realizou-se uma completa avaliação das propriedades mecânicas e metalúrgicas do metal de base e do metal de solda para o material da classe API 5L X60. A caracterização das propriedades mecânicas monotônicas e à fadiga deste aço inclui ensaios de tração, de iniciação de trincas por fadiga (épsilonN), de propagação de trincas por fadiga (da/dN), e de tenacidade à fratura (CTOD). Com as propriedades mecânicas quantificadas, passou-se à medição das tensões residuais. Primeiro utilizou-se um equipamento de raios-X portátil para o levantamento do perfil das tensões residuais ao longo da junta soldada. Porém, este método apresentou muita dispersão nos resultados. Em virtude deste fato optou-se por outro ensaio de medição de tensão residual, chamado de método da furação instrumentada ou - Hole-Drilling -.Porém devido à limitação da técnica de furação instrumentada (sigmaRES menor ou igual SE / 3), propôs-se um modelo numérico que viabilizasse a medição das tensões residuais para cargas nominais que variasse até a resistência ao escoamento. Além do mais como o problema da excentricidade na técnica da furação instrumentada é muito relevante, propôs-se uma roseta extensométrica com 5 extensômetros para que se pudesse fazer uma medição das tensões residuais que não fosse determinística. / [en] This study involved a complete evaluation of the mechanical and metallurgical properties of the base and the metal of welding for the material of the class API 5L X60. The characterization of the mechanical monotonic properties of fatigue of this steel included the evaluation of mechanical monotonic, cyclic, toughness, fatigue crack propagation potential drop and back strain deformation and microstructural evaluation. After quantifying the mechanical properties of API 5L X60 steel, residual tensions were then measured. Firstly, for the assessment of the profile of residual tensions throughout a welded joint a portable x-ray equipment was used. However, as this method presented considerable result dispersion, I opted for yet another technique for measuring residual tension, namely the Hole Drilling Method. As this technique also presented shortcomings (sigmaRES less or equal SE / 3), I suggest a numerical model that allows for the measuring of residual tensions for nominal loads which varies till the resistance of yielding. In addition, since the problems with the hole drilling technique are of great relevance, I also suggest the use of a rosette with 5 strain-gages so as not to restrict the measurement of residual tensions to a deterministic experiment.

[pt] As tecnologias de manufatura aditiva (MA) tornaram-se alvo de grande interesse industrial para fabricação de componentes e peças finais destinadas a inúmeras aplicações em diversos setores da indústria. Estes componentes, em sua maioria, são projetados para apresentar vida em serviço superior à 107ciclos, fazendo com que a análise do comportamento em fadiga no regime de altíssimo ciclo (VHCF) se tornasse um critério de projeto imprescindível. O aço inoxidável AISI 316L é um dos materiais mais processados por MA, com inúmeras abordagens na literatura. Contudo, ainda não há um conhecimento consolidado a respeito do comportamento deste material quando submetido a longas ou super longas vidas em fadiga após processamento pelas distintas técnicas disponíveis, nem tampouco dos mecanismos de iniciação de trincas predominantes. Em geral, no regime de VHCF as trincas tendem a se iniciar internamente ou em regiões subsuperficiais a partir de defeitos internos presente no material. Esse fato resulta em uma característica na superfície de fratura conhecida como fish-eye. Outro fenômeno que ocorre na superfície de fratura, mais especificamente dentro da região do fish-eye, é a formação de uma camada fina granular (FGA) ao redor dos sítios de iniciação de trincas. O presente trabalho analisou a resistência à fadiga de longa duração do aço AISI 316L manufaturado pela técnica de deposição por energia direcionada a laser (L-DED). Corpos de prova de duas condições de pós-processamento do material, com e sem tratamento térmico, foram submetidos a ensaios de fadiga em equipamento ultrassônico (frequência de 20±0,5 kHz), com R = -1 e tendo como alvo 109ciclos. Após o levantamento das curvas S-N das duas condições microestruturais, as superfícies de fratura foram analisadas. Os resultados da pesquisa indicaram que o tratamento térmico reduziu a vida em fadiga do material em função da população de defeitos metalúrgicos encontrada, bem como influenciou a formação de fish-eye e FGA durante a iniciação e propagação das trincas. Por fim, o tamanho do FGA foi quantificado experimentalmente, para permitir a comparação com dimensões de FGA estimadas por equações empíricas presentes na literatura. / [en] Additive manufacturing (AM) technologies have become a target of great industrial interest for manufacture of components and final parts intended for several applications in many sectors of the industry. Most of these components are designed to have a service life higher than 107cycles, making the analysis of the fatigue behavior in the very high cycle regime (VHCF) an essential design criterion. AISI 316L stainless steel is one of the most processed by AM, with numerous approaches in the literature. However, there is still no consolidated knowledge about the behavior of this material when subjected to long or super long fatigue lives after processing by the different available techniques, nor about the predominant crack initiation mechanisms. In general, in the VHCF regime, cracks tend to start internally or in subsurface regions from internal defects present in the material. This fact results in a characteristic in the fracture surface known as fish-eye. Another phenomenon that occurs at the fracture surface, more specifically within the fish-eye region, is the formation of a fine granular area (FGA) nearby the crack initiation sites. The present work analyzed the long-term fatigue strength of AISI 316L steel manufactured by laser directed energy deposition (L-DED) technique. Specimens of two post-processing conditions of the material, with and without heat treatment, were subjected to fatigue tests in ultrasonic equipment (frequency 20 ± 0.5 kHz), with R = -1 aiming 109cycles. After surveying the S-N curves of the two microstructural conditions, the fracture surfaces were analyzed. The research results indicated that the heat treatment reduced the fatigue life of the material as a function of the population of metallurgical defects found, as well as influenced the formation of fish-eye and FGA during the initiation and propagation of cracks. Finally, the size of FGA was experimentally quantified to allow comparison with the dimensions of the FGA estimated by empirical equations present in the literature.

[pt] Inúmeros sistemas de Engenharia estão submetidos a cargas cíclicas durante longos tempos quando em serviço. Sendo assim, a determinação do desempenho de materiais no regime de super longa vida em fadiga (107–1012ciclos) tornou-se de grande relevância na estimativa da vida útil de componentes mecânicos e estruturas. Neste contexto, o uso de equipamentos de ensaios que operem em frequências ultrassônicas, normalmente em 20 kHz, viabilizou estudos sobre a resistência à fadiga de materiais em regime de altíssimo ciclo. Até o momento, a principal contribuição destes estudos foi mostrar que não existe um limite de fadiga para materiais após 107ciclos, o que permite questionar várias metodologias de projeto desenvolvidas ao longo dos anos com base em uma vida infinita do material sob condições cíclicas de carregamento. O presente trabalho teve como objetivo investigar a resistência à fadiga de altíssimo ciclo de dois aços estruturais, DIN 34CrNiMo6 e DIN 42CrMo4, adotados na fabricação de eixos virabrequins de centrais termoelétricas que falharam por fadiga em serviço, de maneira prematura. Os corpos de prova selecionados para os testes foram dos tipos ampulheta, ampulheta entalhado e cilíndrico entalhado, com dois diferentes raios de arredondamento. Os ensaios foram realizados em equipamento ultrassônico, com amplitude de tensões que variaram entre 0,3 – 0,5 do limite de resistência mecânica dos materiais e conduzidos até um número alvo de ciclos para falha de 109 ciclos. Considerando os ensaios de corpos de prova ampulheta, os resultados revelaram a maior resistência à fadiga do aço DIN 34CrNiMo6, apesar dos dois materiais apresentarem propriedades mecânicas semelhantes. Como poderia ser esperado, a presença de concentradores de tensão reduziu a vida em fadiga de ambos os materiais. Entretanto, o aço DIN 42CrMo4 apresentou a maior sensibilidade ao entalhe, com uma pequena diminuição do número de ciclo para a falha. / [en] The DIN 42CrMo4 e DIN 34CrNiMo6 steel behavior analysis in fatigue regime in very high cycle. The uncountable engineering systems are submitted loading cyclic during long time in services. So, the determination of material performance in regime in super long life in fatigue (107–1012cycles) belong the high relevance to estimate the live cycle of mechanical of components and structures. Based on it, the use of testing equipment to operate in ultrasonic frequency, normally in 20 kHz. That permits the studies about material fatigue resistance in very high cycle. In this moment, the main contribution of these studies was to demonstrate that no exist fatigue limit to material after 107 cycles, that it allows to question many projects methodologic that was developed long of years based on infinite material life under of loading cyclicals conditions. This present work had the objective to investigate the fatigue resistance in very high cycle of two structure steels (DIN 42CrMo4 and DIN 34CrNiMo6). These steels are used to manufacturing of crankshaft of thermoelectric central that failure due to fatigue in services in premature way. The selected specimens had the three types of format; Hourglass, notched Hourglass and notched Cylindrical with two different rounding of radius. These tests were performed in ultrasonic equipment, with variation of stress between 0,3 – 0,5 of material mechanical resistance and they are performed until maximum number of cycles per failure of 109 cycles. Considering the test of hourglass specimens, the results presented higher fatigue resistance of DIN 34CrNiMo6 steel, although DIN 42CrMo4 as same mechanical properties of DIN 34CrNiMo6 steel. And as it is waited the existence of stress concentrators accelerated the fatigue life in both materials. However, the DIN 42CrMo4 presented higher sensibility to notch, with small decrease of number of cycles to failure.

[pt] A determinação da vida à fadiga para projetar estruturas e componentes mecânicos é extremamente importante. A curva S-N pode ser afetada por diferentes condições operacionais e alguns fatores são mais pronunciados no teste ultrassônico de fadiga, dependendo do material. A influência da alta frequência nos fenômenos de autoaquecimento e o efeito da frequência são discutidos. Um aspecto relevante em VHCF é o mecanismo de iniciação e propagação de trincas. Os fenômenos como olho de peixe e área fina granular (FGA) foram encontrados nas superfícies de fratura. Esta tese está dividida em 3 tópicos: evolução da temperatura, amplitude de deformação da microplasticidade e investigação da região FGA. Os materiais em estudo são os aços DIN 34CrNiMo6 e DIN 42CrMo4. O teste de fadiga ultrassônica foi realizado em diferentes condições de carregamento no modo intermitentes e acompanhado por câmera termográfica infravermelha. Esses resultados obtidos para a câmera termográfica foram usados para desenvolver um modelo de inteligência artificial usando aprendizado de máquina para prever a curva temperatura-número de ciclos. O modelo foi capaz de prever a temperatura e os valores do coeficiente de determinação estão acima de 0,98. Para prever a vida à fadiga, foram escolhidos parâmetros baseados em tensão, curva S-N tradicional, temperatura no início do teste, (razão de Rayleigh), dissipação de calor, Qcyc e gradiente de temperatura. A temperatura em estado estacionário foi atingida em aproximadamente 5E+04 ciclos em ambos os aços. Observa-se que o número de ciclos até a falha aumenta à medida que a inclinação da temperatura (fase I) e a dissipação de calor diminuem. (razão de Rayleigh) forneceu melhor concordância com os resultados experimentais seguido por Qcyc. Além disso, grãos ultrafinos na seção transversal do FGA entre 500 -700 nm dentro da superfície da fratura foram detectados pela análise FIB e EBSD. O local grain refinament foi escolhido como o melhor modelo para explicar a formação de FGA. As inclusões não metálicas Al2O3 foram responsáveis por todas as iniciações internas da trinca de fadiga. / [en] The determination of fatigue life to design structures and mechanical components is extremely important. The S-N curve can be affected by different operational conditions, and some factors are more pronounced under ultrasonic fatigue test, depending on the material. The influence of the high frequency in self-heating phenomena and frequency effect are discussed. A relevant aspect in VHCF is the mechanism of crack initiation and propagation. The fish-eye and fine granular area (FGA) phenomena were encountered on the fracture surfaces. This thesis is divided in 3 topics: temperature evolution, microplasticity strain amplitude, and investigation of the FGA region. The materials under study are DIN 34CrNiMo6 and DIN 42CrMo4 steel. Ultrasonic fatigue test was conducted at different intermittent driving and loading ratios, accompanied by an infrared thermographic camera. These results obtained by the thermographic camera were used to developed an artificial intelligence model using machine learning to predict the temperature-number of cycle curves based on the fatigue life. The model was able to predict the temperature and the coefficient of determination values to be above 0.98. In order to predict the fatigue life, parameters were selected based on stress, the traditional S-N curve, slope temperature at the beginning of the test, (Rayleigh ratio), heat dissipation, Qcyc, and gradient temperature. A steady state temperature was reached approximately in 5E+04 cycles with both steels. It is noticeable that the number of cycles to failure increases as slope temperature and heat dissipation decreases. (Rayleigh ratio) provided better agreement with the experimental results followed by Qcyc. Moreover, ultrafine grains in the cross–section of the FGA between 500 - 700 nm within the fracture surface were detected by FIB and EBSD analysis. Local grain refinement was choose the best model to explain FGA formation. The non-metallic inclusions were ultimately responsible for all internal crack initiations of Al2O3.

[pt] Estimativas informam que 80 por cento a 99 por cento dos alarmes disparados em unidades hospitalares são falsos ou clinicamente insignificantes, representando uma cacofonia de sons que não apresenta perigo real aos pacientes. Estes falsos alertas podem culminar em uma sobrecarga de alertas que leva um profissional da saúde a perder eventos importantes que podem ser prejudiciais aos pacientes ou até mesmo fatais. À medida que as unidades de saúde se tornam mais dependentes de dispositivos de monitoramento que acionam alarmes, o problema da fadiga de alarme deve ser tratado como uma das principais questões, a fim de prevenir a sobrecarga de alarme para os profissionais da saúde e aumentar a segurança do paciente. O principal objetivo desta tese é propor uma solução para o problema de fadiga de alarme usando um mecanismo de raciocínio automático para decidir como notificar os membros da equipe de saúde. Nossos objetivos específicos são: reduzir o número de notificações enviadas à equipe de cuidadores; detectar alarmes falsos com base em informações de contexto do alarme; decidir o melhor cuidador a quem uma notificação deve ser atribuída. Esta tese descreve: um modelo para suportar algoritmos de raciocínio que decidem como notificar os profissionais de saúde para evitar a fadiga de alarme; uma arquitetura para sistemas de saúde que suporta recursos de monitoramento, raciocínio e notificação de pacientes; e três algoritmos de raciocínio que decidem: (i) como notificar os profissionais de saúde decidindo quando agrupar um conjunto de alarmes; (ii) se deve ou não notificar os profissionais de saúde com uma indicação de probabilidade de falso alarme; (iii) quem é o melhor cuidador a ser notificado considerando um grupo de cuidadores. Experimentos foram realizados para demonstrar que, ao fornecer um sistema de raciocínio que agrupa alarmes semelhantes e recorrentes, pode-se reduzir o total de notificações recebidas pelos cuidadores em até 99.3 por cento do total de alarmes gerados, sem perda de informação útil. Esses experimentos foram avaliados através do uso de um conjunto de dados reais de monitoramento de sinais vitais de pacientes registrados durante 32 casos cirúrgicos nos quais os pacientes foram submetidos à anestesia, no hospital Royal Adelaide. Apresentamos os resultados desse algoritmo através de gráficos gerados na linguagem R, onde mostramos se o algoritmo decidiu emitir um alarme imediatamente ou após um determinado delay. Para a tarefa de atribuição de notificações realizada pelo nosso algoritmo de raciocínio que decide sobre qual cuidador notificar, também alcançamos nossos resultados esperados, uma vez que o algoritmo priorizou o cuidador que estava disponível no momento do alarme, além de ser o mais experiente e capaz de atender à notificação. Os resultados experimentais sugerem fortemente que nossos algoritmos de raciocínio são uma estratégia útil para evitar a fadiga de alarme. Embora tenhamos avaliado nossos algoritmos em um ambiente experimental, tentamos reproduzir o contexto de um ambiente clínico utilizando dados reais de pacientes. Como trabalho futuro, visamos avaliar os resultados de nossos algoritmos utilizando condições clínicas mais realistas, aumentando, por exemplo, o número de pacientes, os parâmetros de monitoramento e os tipos de alarme. / [en] Estimates show that 80 per cent to 99 per cent of alarms set off in hospital units are false or clinically insignificant, representing a cacophony of sounds that do not present a real danger to patients. These false alarms can lead to an alert overload that causes a health care provider to miss important events that could be harmful or even life-threatening. As health care units become more dependent on monitoring devices for patient care purposes, the alarm fatigue issue has to be addressed as a major concern in order to prevent healthcare providers from undergoing alarm burden, as well as to increase patient safety. The main goal of this thesis is to propose a solution for the alarm fatigue problem by using an automatic reasoning mechanism to decide how to notify members of the health care team. Our specific goals are: to reduce the number of notifications sent to caregivers; to detect false alarms based on alarm-context information; to decide the best caregiver to whom a notification should be assigned. This thesis describes: a model to support reasoning algorithms that decide how to notify caregivers in order to avoid alarm fatigue; an architecture for health systems that supports patient monitoring, reasoning and notification capabilities; and three reasoning algorithms that decide: (i) how to notify caregivers by deciding whether to aggregate a group of alarms; (ii) whether, or not, to notify caregivers with an indication of a false alarm probability; (iii) who is the best caregiver to notify considering a group of caregivers. Experiments were used to demonstrate that by providing a reasoning system that aggregates alarms we can reduce the total of notifications received by the caregivers by up to 99.3 per cent of the total alarms generated. These experiments were evaluated through the use of a dataset comprising real patient monitoring data and vital signs recorded during 32 surgical cases where patients underwent anesthesia at the Royal Adelaide Hospital. We present the results of this algorithm by using graphs generated with the R language, which show whether the algorithm decided to deliver an alarm immediately or after a given delay. We also achieved the expected results for our reasoning algorithm that handles the notifications assignment task, since the algorithm prioritized the caregiver that was available and was the most experienced and capable of attending to the notification. The experimental results strongly suggest that our reasoning algorithms are a useful strategy to avoid alarm fatigue. Although we evaluated our algorithms in an experimental environment, we tried to reproduce the context of a clinical environment by using real-world patient data. As future work, we aim to evaluate our algorithms using more realistic clinical conditions by increasing, for example, the number of patients, monitoring parameters, and types of alarm.

[pt] O método EN baseia-se na quantificação do dano causado pela deformação decorrente do histórico de carregamento. O objetivo desse modelo consiste em estimar o número de ciclos para iniciar uma trinca por fadiga. Diferente do método SN o número de variáveis envolvidas nesse modelo é menor. Entretanto, requer um número maior de constantes, que nem sempre podem ser obtidas experimentalmente. Esse fato levou a formulação de diversos modelos que se propõem a estimar as constantes de Coffin-Manson, que na maioria dos casos levam a previsões de vida não conservativas, como visto em outros trabalhos. Contudo a maioria dos casos existentes na literatura não abordam o efeito de regiões de concentração de tensão e a influência de carregamentos com amplitudes variáveis. A metodologia usada nessas pesquisas consiste em avaliar a influência desses aspectos através da comparação entre a vida em fadiga experimental e a estimada segundo as constantes de Coffin-Manson medidas e estimadas segundo diferentes modelos. Esse estudo avalia o dano à fadiga segundo 2 tipos de concentradores de tensão e quatro históricos de carregamentos de amplitude variável. Considerando os modelos de Manson, Muralindhran-Manson, Bäumel-Seeger and Meggiolaro-Castro os resultados mostram que a vida em fadiga prevista usando os parâmetros de Coffin Manson obtidos segundo o método de Meggiolado-Castro e por Baumel-Segger são os que mais se aproximam das vidas estimadas baseada nas constantes experimentais. Nos demais casos nota-se que a regra de concentração de tensão exerce uma maior influência no resultado e levam a vidas à fadiga não conservativas. / [en] The strain-life designed is based on the damaged caused by the strain as a result of a loading history. The purpose of this approach is estimating the number of cycles to initiate a fatigue crack. Compared with the stress life method the EN needs a lower number of variables. However, it needs a large number of parameters that are not directly measurable properties of a material and conduct the necessary number of tests to obtain them is not always an option. This fact leads to the formulation of different models to estimate Coffin- Manson s constants, which in most of the cases can result in a non-conservative fatigue life prediction, as seen in several papers. However, in these studies, it is not considered a specimen with a stress concentration factor neither under a variable amplitude loading history. The methodology used in this research is evaluating the influence of these aspects by comparing the fatigue life experimental with the estimated by using the Coffin Manson s experimental constants and the fatigue life calculated with different models to estimate the Coffin-Manson s parameters. This study evaluated the fatigue damage based on four load histories and two types of samples with different stress risers. Considering the models of Manson, Muralidharan-Manson, Bäumel-Seeger, and Meggiolaro-Castro the results indicated that the fatigue life predicted using the Coffin Manson s parameter obtained by Meggiolaro-Castro and Baumel-Segger s model are more similar to the life calculated with the experimental constants. The other models are more influenced by the stress concentration s rule and can lead to not conservative fatigue life.

[pt] A presente tese de doutorado tem como origem o projeto de pesquisa Aneel PD-0394-1905/2019, realizado a partir de uma colaboração entre Furnas e PUC-Rio. A principal meta desse grande projeto de pesquisa está no desenvolvimento do concreto reforçado com fibras visando sua aplicação em elementos estruturais que estão submetidos à fadiga na flexão ao longo de toda sua vida útil, como torres eólicas, pavimentos e elementos de pontes. Dessa maneira, ao longo de todo essa tese doutorado, a degradação mecânica do concreto reforçado com fibras sob fadiga é analisada em detalhe desde a escala da fibra em ensaios de arrancamento até a escala estrutural através de testes mecânicos de fadiga em larga escala. A primeira etapa desse estudo traz uma análise do comportamento à fadiga do concreto reforçado com fibras. A vida à fadiga desse material é estudada através de diferentes modelos estatísticos, que garantem avaliar a falha do material baseada em uma probabilidade falha. Já os ensaios de fadiga no arrancamento ajudam a explicar na escala interface fibra-matriz como ocorre a ruptura dos prismas sob carregamentos cíclicos. Uma segunda fase desse trabalho mostra a degradação mecânica de vigas armadas sob fadiga e o impacto da adição de fibras nos principais parâmetros de interesse. A adição do reforço fibroso é responsável por causar uma redistribuição de tensões na zona tracionada do elemento estrutural, diminuindo as deformações da armadura longitudinal e amenizando a degradação mecânica do concreto armado em termos de curvatura, deslocamento e rigidez. Além disso, a adição de fibras também é responsável por incrementar significativamente a aderência da barra de aço ao redor da matriz de concreto. Fator chave para explicar a melhora da resposta mecânica da estrutura sob fadiga e estudada nessa tese de doutorado através dos ensaios de arrancamento da barra aço. Por fim, uma nova solução analítica foi desenvolvida para avaliar a degradação mecânica dos prismas de concreto reforçado com fibras sob fadiga. As curvas analíticas propostas se adequaram de forma bem sucedida os resultados experimentais analisados nesse trabalho. A adição de fibras apresentou grande potencial visando uma diminuição da degradação mecânica das estruturas de concreto armado submetidas a carregamentos cíclicos. A redistribuição de tensões na zona tracionada devido às fibras promove uma maior rigidez da estrutura sob fadiga, uma melhora da aderência da armadura e uma maior capacidade de resistir aos ciclos de fadiga ao longo do tempo. Esse ganho mecânico com o reforço fibroso, portanto, pode garantir maior vida útil das estruturas em concreto armado. / [en] This doctoral thesis originates from the research project Aneel PD-0394- 1905/2019, carried out through a collaboration between Furnas and PUC-Rio. The main objective of this extensive research project is the development of fiber reinforced concrete for distinct structural application which are subjected to continuous flexural fatigue loading along their useful life, such wind tower endeavors, concrete pavements and bridge elements. The addition of fibers in the concrete mix has the potential to mitigate the mechanical deterioration along the continuous load cycles, enhancing, as a consequence, the durability and the fatigue life of the cited concrete structural elements. Throughout this doctoral thesis, the mechanical degradation of fiber reinforced concrete under fatigue is carefully analyzed, starting from the fiber scale with pull-out tests and going up to the structural scale through large-scale fatigue mechanical tests. The first stage of this study involves an analysis of the mechanical behavior of fiber reinforced concrete under fatigue loading. The material fatigue life is examined using different statistical models, which allow evaluating material failure based on a failure probability. Fatigue pull-out tests help explain, at the fiber-matrix interface scale, how the prisms rupture under cyclic loading. A second phase of this work demonstrates the mechanical degradation of reinforced structural beams under fatigue and the impact of fiber addition on key concerned parameters. The addition of fiber reinforcement causes a redistribution of stresses in the tension zone of the structural element, reducing the deformations of the longitudinal rebar and mitigating the mechanical degradation of reinforced concrete in terms of curvature, displacement and stiffness. Furthermore, fiber addition significantly improves the bond between the steel bar and the surrounding concrete matrix, a key factor in explaining the enhanced mechanical response of the structure under fatigue, as studied in this doctoral thesis through rebar pull-out tests. Finally, a new analytical solution was developed to assess the mechanical degradation of fiber reinforced concrete prisms under fatigue loads. The proposed analytical curves successfully fit the experimental results analyzed in this work. The addition of fibers showed great potential in reducing the mechanical degradation of reinforced concrete structures subjected to cyclic loading. The stress redistribution in the tension zone, caused by the fibers, promotes greater stiffness of the structure under fatigue, improves the bond with the reinforcement and enhances the ability to withstand fatigue cycles over time. Therefore, the observed enhancement of mechanical properties through fiber reinforcement can ensure a longer service life for reinforced concrete structures.

[pt] Esta dissertação revisita quatro modelos multiaxiais de dano por fadiga (SWTD, SWT, Findley e Crossland) e discute a sua aplicação na previsão do risco de nucleação de trinca sob solicitações de fadiga por fretting segundo as abordagens local e não-local. As previsões do risco de nucleação de trinca obtidas através dos modelos estudados foram confrontadas com dados experimentais disponíveis na literatura para o contato cilindro/plano em aços AISI 52100 e AISI 1034 respectivamente. As melhores previsões foram obtidas através da versão desviadora SWTD. Segundo a abordagem local, o modelo SWTD fez previsões menos conservativas que os demais, sendo estas com erros conservativos inferiores a 15 porcento. Segundo a abordagem não-local, os quatro modelos geram previsões com erros inferiores a 15 porcento se os mesmos forem calibrados de forma independente. É importante mencionar que as melhores previsões obtidas através da abordagem não-local (que requer a calibração de um parâmetro adicional) são similares àquelas obtidas por SWTD local. Especificamente para os testes de fadiga por fretting com carga remota, o modelo SWTD não-local gerou previsões com 100 porcento de acertos (13 testes). Segundo a abordagem não-local, foi verificado que, para o conjunto de testes estudado, a precisão nas previsões é mais influenciada pela dimensão característica (que deve ser calibrada) que pelo modelo de fadiga multiaxial ou método de integração considerado. Por fim, verificou-se que previsões não conservativas podem ser obtidas ao se considerar uma dimensão característica assumida como parâmetro material (sem calibração) tal qual a distância crítica proposta por Taylor, definida em termos do método do ponto. / [en] This work presents and discusses four multiaxial fatigue damage models (SWTD, SWT, Findley and Crossland) applied to crack nucleation prediction under fretting fatigue loadings according to the local and the non-local approaches. The predictions have been compared with experimental data available in the literature for the cylinder on flat configuration made of 52100 and 1034 AISI steel s respectively. In particular, for the data set analyzed, SWTD parameter (deviatoric version of SWT model) predictions were less conservative than the ones made by the other three models and have better correlated the experimental results. Considering the local approach, the error observed on the SWTD predictions was lower than 15 percent. On the other hand, for the non-local approach, it has been demonstrated that the four multiaxial fatigue models can provide crack nucleation predictions with similar level of accuracy (error lower than 15 percent) if the characteristic dimension is calibrated model-by-model. Note that this same level of accuracy was obtained with SWTD parameter defined in terms of the local approach, which requires one less parameter to be calibrated (characteristic dimension). In particular, considering only the fretting fatigue tests with bulk stresses, SWTD non-local (area method) prediction accuracy was 100 percent (13 tests). For the material studied, it has also been concluded that the non-local predictions accuracy depends more on the calibrated characteristic dimension than on the multiaxial model or integration method considered. Moreover, it has been verified that non-conservative predictions can be made if the characteristic dimension is assumed as a material property as proposed by Taylor on the critical distances theory (point method).