In this work small and large-scale wear tests of polyurethane (PU) sliding against polyamide (PA) were carried out. In the large-scale tests, PU and PA samples were submitted to conditions similar to those found in oil and gas platform operations. The wear of these samples was measured using a coordinate measuring machine. Using the small-scale test configuration, the influence of contact geometry, sliding velocity, sliding stroke and contact pressure at the coefficient of friction (COF) and on the wear mechanisms was evaluated. In both test scales, the wear mechanisms of PA and PU samples were analyzed using a scanning electron microscope. The thermal behavior of PA samples was investigated using differential scanning calorimetry. The PA physic-chemical analysis was performed using X-ray diffraction and Raman spectroscopy and infrared spectroscopy for PU. In large-scale tests was observed that the outer cover of flexible riser pipes had a maximum wear rate of 0.016 mm/km, while in the liner this wear rate was 0.264 mm/km. It was also observed that variations in the hardness of PU liner lead to an important change on the wear mechanisms and, consequently, on the wear rate. The wear rate at large-scale was also strongly affected by the contact temperature. Due to the reduction of the contact temperature, a sharp reduction on the liner wear rate was observed. However, no significant variation in the rate of wear of PA riser cover was noticed. In small-scales tests, under the same sliding velocity and contact pressure observed in the field, the tribological wear behavior was changed. It was also observed that increasing the contact pressure or reducing the sliding stroke leads to a decrease the COF, while the sliding velocity only induced a change in this parameter if the contact temperature was significantly increased. Using test parameters in small scale which lead to a temperature rise in the tribocontact, it was possible to reproduce the tribological behavior observed in large-scale test. / Neste trabalho foram realizados ensaios tribológicos envolvendo o par poliuretano (PU) e poliamida (PA) em escala real e reduzida. Nos ensaios em escala real, os materiais foram submetidos a condições similares às observadas em plataformas de óleo e gás. O desgaste destas amostras foi avaliado utilizando uma máquina de medir por coordenadas. Nos ensaios em escala reduzida foram avaliados os efeitos da geometria do contato, da velocidade de deslizamento, da amplitude de deslizamento e da pressão de contato sobre o coeficiente de atrito (COF), bem como sobre os mecanismos de desgaste. Para as amostras de ambas as escalas, os mecanismos de desgaste da PA e do PU foram observados através de microscopia eletrônica de varredura. O comportamento térmico das amostras de PA foi investigado através da calorimetria exploratória diferencial. A análise físico-química foi realizada utilizando difração de raios-x e espectroscopia Raman para a PA e a espectroscopia no infravermelho para o PU. Nos ensaios em escala real foi observado que as capas dos dutos flexíveis têm uma taxa de desgaste máxima de 0,016 mm/km, enquanto no liner essa taxa foi de 0,264 mm/km. Observou-se também que variações na dureza do PU do liner levaram a uma importante alteração dos mecanismos atuantes e, consequentemente, da taxa de desgaste. Essa taxa de desgaste foi também fortemente influenciada pela temperatura no contato. Essas alterações foram verificadas mediante a introdução de afastamentos periódicos entre os corpos durante o teste. Neste caso, o desgaste do liner foi mínimo. Todavia, a PA da capa externa não apresentou variação significativa na taxa de desgaste. Nos ensaios em escala reduzida, sob mesmas condições de velocidade e pressão observadas em campo, não foi obtida a mesma resposta tribológica. Notou-se também que o aumento da pressão ou redução da amplitude de deslizamento reduz o COF, enquanto a velocidade somente alterou este parâmetro caso houvesse uma alteração significativa da temperatura no contato. Mediante a utilização de parâmetros de teste na escala reduzida que levavam ao aumento da temperatura no contato, foi possível reproduzir o comportamento tribológico observado em escala real. / Doutor em Engenharia Mecânica

Materiais enrijecidos são encontrados cotidianamente na engenharia, como na construção de aeronaves, veículos, navios e manufaturas diversas. Na Engenharia Civil, são exemplos de materiais enrijecidos o concreto armado e o solo reforçado. A solução aproximada para esse tipo de problema pode ser encontrada pelo uso de métodos numéricos como o Método dos Elementos Finitos (MEF) e o Método dos Elementos de Contorno (MEC). Particularmente, o MEC é muito vantajoso em casos onde se tem elevados gradientes de tensão, como em problemas da mecânica da fratura, além de modelar de forma natural meios infinitos, sendo muito utilizado na análise de interação solo-estrutura ou de túneis. No entanto, como no MEC somente o contorno é discretizado, torna-se necessária a utilização de um acoplamento numérico para que o efeito mecânico dos enrijecedores seja considerado. Para esse acoplamento, podem ser utilizados diversos métodos numéricos, sendo neste trabalho realizado com o MEF e o MEC em sua forma unidimensional (MEC 1D). Dentro desse contexto, o acoplamento com o MEC 1D destaca-se por vantagens, como a compatibilidade dos métodos e a redução de aproximações. Com isso, este trabalho tem como principal objetivo o desenvolvimento e comparação de soluções numéricas para o problema de domínios enrijecidos, no âmbito do MEC aplicado a problemas bidimensionais. Os enrijecedores foram considerados como elementos de treliça, sendo realizado inicialmente na sua forma mais usual, modelando-os por meio do MEF. A seguir foi implementada nova formulação para o acoplamento, na qual os enrijecedores são modelados por meio do MEC 1D. A implementação do MEC 1D foi validada pela comparação de resultados com soluções analítica e do programa computacional FTOOL. No caso do acoplamento, os resultados de ambas formulações foram comparados com resposta do programa computacional ANSYS. Foram avaliados quatro exemplos, sendo dois isotrópicos e dois anisotrópicos. Foram aplicadas diferentes condições de carregamentos, apoios e materiais, sendo utilizadas diversas discretizações e graus de aproximação nos enrijecedores. Verificou-se os efeitos da mudança do grau de aproximação, mantendo-se constante o número de graus de liberdade. Os resultados obtidos foram similares às respostas do ANSYS, foram mecanicamente equivalentes, não havendo diferença relevante em custo computacional. O acoplamento com o MEC 1D levou a resultados estáveis e, em geral, melhores do que com o MEF. No caso de aproximação quadrática, o acoplamento com o MEF frequentemente levou a resultados instáveis. Com o aumento do grau de aproximação, os resultados de ambos métodos se aproximam, se tornando muito próximos com aproximação do quarto grau. Verificou-se que próximo às pontas dos enrijecedores ocorrem concentrações de tensão, havendo maior influência da discretização e grau de aproximação adotado nestas áreas. / The reinforced materials are commonly encountered in engineering applications, as in the construction of airplanes, vehicles, ships and general manufactures. In Civil Engineering, the reinforced concrete and the reinforced soil are examples of reinforced materials. The solution of this kind of problem can be found by the use of numerical methods as the Finite Element Method (FEM) and the Boundary Element Method (BEM). Particularly, the BEM use in cases with high stress gradients, such as in fracture mechanics problems, is very advantageous. The BEM models infinite domains in a natural way, being largely used in analysis as soil-structure interaction and tunnel modelling. However, as in the BEM only the boundary is discretized, became necessary the use of a numerical coupling to consider the mechanical effect of the stiffeners. For the coupling many numerical methods can be used, in this study it was realized with the FEM and with the BEM in its unidimensional way (BEM 1D). In this context, the coupling BEM/BEM 1D stands out for its advantages, like the compatibility between the methods and the reduction of approximations. Therefore, the main objective of this study is the development and the comparison of numerical solutions for reinforced media problems, considering the framework of the bidimensional BEM problems. The coupling was implemented considering the stiffeners as truss elements, initially it was implemented in the most usual way, by modelling the stiffeners through the FEM. In the following, a new coupling formulation was proposed, in which the stiffeners are modelled through the BEM 1D method. The BEM 1D implementation was validated by comparing the results with analytical and numerical solutions, the last one obtained with the software FTOOL. Both coupling strategies were compared with the solution obtained by the software ANSYS. Four examples were evaluated, with two isotropic and two anisotropic domains. Different boundary conditions, supports and materials were applied, as many discretization and the approximation degree of the stiffeners were tested. The effects of changing the approximation degree in both coupling strategies keeping the degrees of freedom constant were analysed. The results obtained with the implemented algorithms were mechanically coherent, and they were similar to ANSYS results. For all examples, there is no significant computational costs differences between the two coupling strategies. However, the coupling with the BEM 1D leaded to more stable results and better approximations. It was observed that the MEF results were instable for many results, mainly in the quadratic approximations. When the approximation degree rises, the methods tend to converge to equivalent results, becoming very close in fourth degree approximation. Lastly, it was observed stress concentration in the stiffeners ends. In these regions, the discretization and the approximation degree have large influence to the numerical response.

Este trabalho tem como objetivo principal apresentar formulações do método dos elementos de contorno que contemplem as análises de placas considerando-se as não-linearidades física e geométrica e de placas enrijecidas considerando-se o comportamento não-linear físico do material. As equações integrais utilizadas são baseadas na teoria de Kirchhoff para flexão de placas delgadas, sendo o efeito não-linear geométrico modelado a partir da teoria de Von Kármán. Os efeitos não-lineares físicos são introduzidos no sistema a partir da consideração de um campo de tensões iniciais, com a avaliação das regiões plastificadas realizada a partir do critério elastoplástico de von Mises com encruamento isótropo linear e particularizado para o estado plano de tensão. A formulação dos enrijecedores é efetuada de forma alternativa, com o painel enrijecido considerado como um todo e submetido a campos de momentos e forças normais iniciais para induzir o ganho de rigidez. Apenas a parcela de enrijecimento na direção longitudinal do enrijecedor é considerada. O sistema de equações algébricas é obtido a partir da discretização estrutural com elementos de contorno isoparamétricos lineares. Para a consideração dos efeitos de domínio da placa são utilizadas células triangulares com funções de aproximação linear. Já as integrais no domínio dos enrijecedores são transformadas em integrais no contorno dos mesmos, com as variáveis escritas apenas no seu eixo longitudinal. Toda a solução do sistema não-linear de equações é obtida a partir de uma formulação implícita, sendo os operadores tangentes consistentes explicitados ao longo do trabalho. Por fim, vários exemplos são apresentados de forma a validar o correto desenvolvimento das formulações propostas. / In this work a boundary element method formulation to analyse plates with combined geometrical and material nonlinearities was presented. Additionally an alternative boundary element method formulation was presented to analyse material nonlinear reinforced plates. The boundary integral equations are derived based on Kirchhoff\'s theory. An initial stress field and von Kármán hypothesis are considered to take into account the material and geometrical nonlinearities, respectively. The elastoplastic von Mises criterion with linear isotropic hardening and particularized to the plane stress condition is considered to evaluate the plastic zone. The effects of the reinforcements are taken into account by using a simplified scheme based on applying an initial stress field to correct locally the bending and stretching stiffness of the reinforcement regions. Only bending and stretching rigidities in the direction of the reinforcements are considered. Isoparametric linear elements are used to approximate the boundary unknown values and triangular internal cells with linear shape functions are used to evaluate the plate domain value influences. The domain integrals due to the presence of the reinforcements are transformed to the reinforcement/plate interface. The nonlinear system of equations is solved by using an implicit scheme together with the consistent tangent operator presented along this paper. Finally, several examples are presented to confirm the correct development of the proposed formulations.

Este trabalho verifica, por meio de análises numérico-paramétricas de lajes nervuradas, o quanto a desconsideração (ou a consideração de maneira simplificada) da excentricidade existente entre os eixos das nervuras e o plano médio da capa influencia nos resultados de deslocamentos e esforços atuantes nas peças que compõem estes sistemas. Foram apresentados os conceitos teóricos relativos à cada modelo de cálculo permitido pelas normas técnicas, e foram realizadas análises considerando variações nos seguintes parâmetros: relação entre a altura da capa e a altura total da laje nervurada; relação entre a distância entre os eixos das nervuras e a distância entre os pontos de apoio, e espaçamento entre os eixos das nervuras. Os diferentes modelos mecânicos foram analisados utilizando o método dos elementos finitos, por meio do programa computacional ANSYS 5.5, considerando-se um comportamento elástico-linear para o material concreto armado. Foram relacionados aspectos importantes a serem observados na escolha do modelo adequado, de acordo com os parâmetros analisados, para serem aplicados nos escritórios de cálculo. Verificou-se a necessidade da consideração da excentricidade, seja por modelo realista, ou por modelos simplificados, para a obtenção de resultados numéricos mais próximos do comportamento da estrutura real. / This work verifies, through parametric-numerical analysis of slabs stiffened with ribs, how much the disregard (or regard in a simplified way) of the existent eccentricity between the axis of the ribs and the medium plan of the plate influences on the results of displacements and acting efforts over the parts wich make the system. The theorical concepts related to each model of calculation allowed through technical codes have been presented, and, analysis have been made considering variations in the following parameters: relation between plate height and total height of the waffle slab; relation of distance between the axis of the ribs and the distance between the supporting points, and the gap between the axis of the ribs. Different mechanical models have been analysed using the finite element analysis, through the computer program ANSYS 5.5, considering an elastic-linear behaviour for the reinforced concrete material. Important aspects have been disclosed and should be carefully looked into for an adequate model choice, according to the analysed parameters to be applied in the design\'s offices. The need for eccentricity consideration has been verified, be it by using a realistic model or by simplified models, for close numerical results gathering of the real structural behaviour.

Este trabalho verifica, por meio de análises numérico-paramétricas de lajes nervuradas, o quanto a desconsideração (ou a consideração de maneira simplificada) da excentricidade existente entre os eixos das nervuras e o plano médio da capa influencia nos resultados de deslocamentos e esforços atuantes nas peças que compõem estes sistemas. Foram apresentados os conceitos teóricos relativos à cada modelo de cálculo permitido pelas normas técnicas, e foram realizadas análises considerando variações nos seguintes parâmetros: relação entre a altura da capa e a altura total da laje nervurada; relação entre a distância entre os eixos das nervuras e a distância entre os pontos de apoio, e espaçamento entre os eixos das nervuras. Os diferentes modelos mecânicos foram analisados utilizando o método dos elementos finitos, por meio do programa computacional ANSYS 5.5, considerando-se um comportamento elástico-linear para o material concreto armado. Foram relacionados aspectos importantes a serem observados na escolha do modelo adequado, de acordo com os parâmetros analisados, para serem aplicados nos escritórios de cálculo. Verificou-se a necessidade da consideração da excentricidade, seja por modelo realista, ou por modelos simplificados, para a obtenção de resultados numéricos mais próximos do comportamento da estrutura real. / This work verifies, through parametric-numerical analysis of slabs stiffened with ribs, how much the disregard (or regard in a simplified way) of the existent eccentricity between the axis of the ribs and the medium plan of the plate influences on the results of displacements and acting efforts over the parts wich make the system. The theorical concepts related to each model of calculation allowed through technical codes have been presented, and, analysis have been made considering variations in the following parameters: relation between plate height and total height of the waffle slab; relation of distance between the axis of the ribs and the distance between the supporting points, and the gap between the axis of the ribs. Different mechanical models have been analysed using the finite element analysis, through the computer program ANSYS 5.5, considering an elastic-linear behaviour for the reinforced concrete material. Important aspects have been disclosed and should be carefully looked into for an adequate model choice, according to the analysed parameters to be applied in the design\'s offices. The need for eccentricity consideration has been verified, be it by using a realistic model or by simplified models, for close numerical results gathering of the real structural behaviour.

Neste trabalho, propõe-se uma formulação não linear baseada no método dos elementos de contorno, para representação de domínios poro-elasto-plásticos reforçados. Esta formulação é apresentada para os casos saturado e não saturado. Para o problema poroso enrijecido um acoplamento com o método dos elementos finitos é empregado, e a técnica de mínimos quadrados permite a regularização dos deslocamentos e do vetor de forças de superfície ao longo das interfaces de acoplamento. São empregadas expressões analíticas para o tratamento das integrais de contorno e de domínio presentes na formulação do método dos elementos de contorno. A formulação de Biot é empregada para a descrição de meios porosos saturados e uma formulação energética baseada nos trabalhos de Coussy é adaptada para a extensão ao caso não saturado. Neste caso, a pressão capilar e energia das interfaces são levadas em consideração. O nível de saturação é descrito pelo modelo de Van Genuchten e o comportamento do esqueleto é descrito ou pelo modelo de Drucker-Prager ou pelo modelo de Cam-Clay modificado. O problema não linear obtido por uma descrição temporal associada a discretização espacial é resolvido pelo método de Newton-Raphson. No caso saturado, o operador tangente consistente é definido e utilizado para obtenção da solução do sistema. Exemplos numéricos são apresentados para validar a formulação proposta. / In this work a nonlinear formulation of the boundary element method (BEM) is proposed to deal with saturated and unsaturated poro-elasto-plastic 2D reinforced domains. To model reinforced porous domains a BEM/FEM (Finite Element Method) modified coupling technique is employed. The coupling is made by using the least square method to regularize the displacement and traction distributions along the interfaces. Analytical expressions have been derived for all boundary and domain integrals required for the formulation. The Biot formulation is used for the description of the saturated porous environments and an energetic consistent formulation based on work of Coussy is adopted for its extension to the framework of unsaturated porous media. In this case, the capillar pressure and the interface energy are taken into account. The Van Genuchten model is used for the determination of saturation level in non-saturated poro-elasto-plastic problems. The Drucker-Prager modified model if used for the saturated poro-elasto-plastic problems and the modified Cam-Clay model for the representation of non-saturated poro-elasto-plastic problems. For the saturated case, the consistent tangent operator is derived and employed inside a Newton procedure to solve non-linear problems. Numerical solutions are presented to validate the proposed models.

Neste trabalho, propõe-se uma formulação não linear baseada no método dos elementos de contorno, para representação de domínios poro-elasto-plásticos reforçados. Esta formulação é apresentada para os casos saturado e não saturado. Para o problema poroso enrijecido um acoplamento com o método dos elementos finitos é empregado, e a técnica de mínimos quadrados permite a regularização dos deslocamentos e do vetor de forças de superfície ao longo das interfaces de acoplamento. São empregadas expressões analíticas para o tratamento das integrais de contorno e de domínio presentes na formulação do método dos elementos de contorno. A formulação de Biot é empregada para a descrição de meios porosos saturados e uma formulação energética baseada nos trabalhos de Coussy é adaptada para a extensão ao caso não saturado. Neste caso, a pressão capilar e energia das interfaces são levadas em consideração. O nível de saturação é descrito pelo modelo de Van Genuchten e o comportamento do esqueleto é descrito ou pelo modelo de Drucker-Prager ou pelo modelo de Cam-Clay modificado. O problema não linear obtido por uma descrição temporal associada a discretização espacial é resolvido pelo método de Newton-Raphson. No caso saturado, o operador tangente consistente é definido e utilizado para obtenção da solução do sistema. Exemplos numéricos são apresentados para validar a formulação proposta. / In this work a nonlinear formulation of the boundary element method (BEM) is proposed to deal with saturated and unsaturated poro-elasto-plastic 2D reinforced domains. To model reinforced porous domains a BEM/FEM (Finite Element Method) modified coupling technique is employed. The coupling is made by using the least square method to regularize the displacement and traction distributions along the interfaces. Analytical expressions have been derived for all boundary and domain integrals required for the formulation. The Biot formulation is used for the description of the saturated porous environments and an energetic consistent formulation based on work of Coussy is adopted for its extension to the framework of unsaturated porous media. In this case, the capillar pressure and the interface energy are taken into account. The Van Genuchten model is used for the determination of saturation level in non-saturated poro-elasto-plastic problems. The Drucker-Prager modified model if used for the saturated poro-elasto-plastic problems and the modified Cam-Clay model for the representation of non-saturated poro-elasto-plastic problems. For the saturated case, the consistent tangent operator is derived and employed inside a Newton procedure to solve non-linear problems. Numerical solutions are presented to validate the proposed models.

[pt] O surgimento de trincas em projetos estruturais tem sido um problema para engenharia por algumas décadas, e uma das áreas onde este tópico é amplamente estudado é em aeronaves comerciais. Vários acidentes ocorreram nas últimas décadas devido ao aparecimento de uma trinca em aeronaves comerciais, e por essa razão o estudo da mecânica da fratura é tão importante para este campo da engenharia. Um componente estrutural é tolerante a danos se puder sustentar com segurança o comprimento crítico a trincas até que seja reparado ou sua vida econômica expire. Enrijecedores ou reforçadores têm a função principal de melhorar a resistência e estabilidade dessas estruturas e fornecer um meio de desacelerar ou parar a propagação de trincas em contenções nucleares, reatores, viadutos, edifícios altos, aeronaves, cascos de navios, pontes e estruturas offshore. Analisando o fator de intensidade de tensão e como o comportamento de uma folha com e sem reforços é diferente são alguns dos problemas estudados neste trabalho. O fator de intensidade de tensão (FIT), é um parâmetro que descreve a intensidade do campo de tensão singular, foi usado com sucesso para estimar a resistência à fratura e taxas de propagação de trinca por fadiga em situações em que as suposições de elasticidade são válidas. Neste trabalho, o FIT foi obtido para placas com reforços colados e rebitados, com base no método dos elementos finitos (MEF) utilizando elementos quarter point por meio de simulações realizadas no software ABAQUS. Forças no rebite foram calculadas para uma trinca com rebites e longarinas espaçadas uniformemente. Os resultados apresentados são comparados com os valores encontrados na literatura por meio de gráficos e mostram que o FIT é significativamente menor do que para uma folha não enrijecida para os casos de reforço estudados. / [en] The emergence of fractures in structural designs has been a problem for engineering for some decades, and one of the areas where this topic is widely studied is in commercial aircraft. Several accidents have occurred in the last decades due to the appearance of a fracture in commercial aircraft, and for this reason the study of fracture mechanics is so important for this field of engineering. A structural component is tolerant of damage if it can safely sustain critical length fractures until it is repaired or its economic life has expired. Reinforcers or stiffeners have the main function of improving the resistance and stability of these structures and providing a means of decelerating or stopping the propagation of fractures in nuclear containments, reactors, viaducts, tall buildings, aircraft, ship hulls, bridges and offshore structures. Analyzing the stress intensity factor and how the behavior of a sheet with and without stiffeners is different are some of the issues studied in this work. The stress-intensity factor (SIF), a parameter that describes the intensity of the singular stress field, has been used successfully to estimate fracture strength and fatigue crack growth rates in situations where the assumptions of linear elasticity are valid. In this work, the SIF was obtained for plates with adhesive and riveted reinforcements, based on the finite element method (FEM) using quarterpoint elements through simulations carried out in the ABAQUS software. Forces in the rivet were calculated for a crack with riveted and evenly spaced stringers. The complete results presented are compared with values found in the literature through graphs. The results show that the stress intensity factor for the hardened sheet is significantly lower than for an un-hardened sheet for both studied stiffener cases.