As ligas de alumínio são aplicadas em cerca de 70% dos componentes estruturais dos aviões e o processo de fadiga e o modo de falha predominante em estruturas aeronáuticas, para a maioria das quais a presença de concentradores de tensão e inevitável. O comportamento em fadiga e as propriedades mecânicas das ligas de alumínio endurecíveis por precipitação são fortemente influenciadas por parâmetros como tamanho, espaçamento e densidade dos precipitados endurecedores. Neste contexto, pesquisas anteriores tem mostrado que o envelhecimento interrompido (T6I4) pode proporcionar melhores combinações de propriedades mecânicas para estas ligas. O presente trabalho tem como objetivo o estudo das propriedades mecânicas e do comportamento em fadiga de alto ciclo das ligas de alumínio AA6351 e AA7050 nas condições de tratamento térmico convencionais (T6 e T7451, respectivamente) e na condição T6I4, bem como da influência das características microestruturais e do tratamento térmico sobre estas propriedades. Dentro deste contexto, analises de Microscopia Eletrônica de Transmissão (MET) da liga AA6351 mostraram que a condição T6I4 resultou em uma maior densidade de precipitados endurecedores com tamanho heterogêneo, quando comparada com a condição T6. Para esta liga, a condição T6I4 também resultou em menores valores de tensão limite de escoamento, resistência a tração, resistência a fadiga e sensibilidade ao entalhe, com maior ductilidade e tenacidade. Para a liga AA7050, as análises de MET mostraram que a condição T6I4 resulta em uma maior densidade de precipitados endurecedores com menor tamanho, promovendo um melhor impedimento ao movimento de discordâncias durante a deformação por fadiga, quando comparada com a condição T7451. Esta alteração microestrutural proporcionou a condição T6I4 valores de resistência ao escoamento e resistência a tração similares a condição T7451, com maior ductilidade e tenacidade. A resistência a fadiga da condição T6I4 foi similar a condição T7451, entretanto o envelhecimento interrompido resultou em um melhor comportamento em sensibilidade ao entalhe. / Aluminum alloys are applied in approximately 70% of the aircraft structural components and the fatigue process is the dominant failure mode in aeronautical structures, for the most of which, the presence of stress concentrators is unavoidable. The fatigue behavior and the mechanical properties of the age hardenable aluminum alloys are strongly influenced by parameters including the size, spacing and density of strengthening precipitates. Within this context, previous researches have shown that the interrupted ageing (T6I4) could provide an improved combination of mechanical properties for these alloys. This work aims to study the mechanical properties and the high cycle fatigue behavior of AA6351 and AA7050 aluminum alloys in the conventional heat treatment conditions (T6 and T7451, respectively) and in the T6I4 condition, as well as the influence of the microstructural characteristics and of the heat treatment on these properties. Within this context, Transmission Electron Microscopy (TEM) analyzes of the AA6351 alloy showed that T6I4 condition resulted in higher density of hardening precipitates with heterogeneous size compared to T6 condition. For this alloy, the T6I4 condition resulted in lower values of yield stress, ultimate tensile strength, fatigue strength and notch sensitivity, with higher ductility and toughness. For the AA7050 alloy, TEM analyses showed that T6I4 condition presented a higher density of strengthening precipitates with smaller size promoting an improved dislocation pinning effect during the fatigue deformation compared to T7451 condition. This microstructural change provided to T6I4 condition yield stress and ultimate tensile strength similar to T7451, with higher ductility and toughness. The fatigue strength of T6I4 condition was also similar to T7451, however the interrupted ageing provided a better notch sensitivity behavior.

The accurate description of the nonlinear structural behaviour is an important issue in engineering science. Usually, classic nonlinear theories, such as fracture and damage mechanics, applied to finite element programmes are used to fulfil that purpose. Classic fracture mechanics describes the structural deterioration process by a few discrete cracks. This theory presents good precision for structures with simple geometries, few cracks and homogeneous materials. Classic damage mechanics measures the deterioration process by an internal variable called damage. This theory has been successful in the description of several deterioration mechanisms in continuum media. Despite their accuracy, classic fracture and damage mechanics present some drawbacks. Firstly, regarding civil engineering problems, both theories are not suitable for some practical applications. Secondly, fracture mechanics demands the consideration of initial cracks to begin the analysis. Lastly, classic damage models may present an issue known as localisation, what essentially leads to ill-posed problems and mesh-dependent numerical algorithms. Alternatively, a recent theory, called lumped damage mechanics, was proposed in order to achieve good accuracy in actual engineering problems. Such theory applies key concepts from fracture and damage mechanics in plastic hinges. In the light of the foregoing, the main goal of this thesis is the extension of the lumped damage mechanics framework to analyse different engineering problems. So far, lumped damage mechanics was characterised as a simplified methodology to analyse reinforced concrete frames under seismic and monotonic loadings; even with a few contributions on the analysis of local buckling in metallic structures. Therefore, this work extends the lumped damage mechanics framework to analyse reinforced concrete arches, unreinforced concrete structures, high cycle fatigue and continuum problems. The application examples show the accuracy of the proposed methodologies. / A descrição acurada do comportamento não linear de estruturas é um problema importante na engenharia. Usualmente, teorias não lineares clássicas, tais como as mecânicas da fratura e do dano, aplicadas a programas de elementos finitos são utilizadas a fim de cumprir aquele propósito. A mecânica da fratura clássica descreve o processo de deterioração estrutural por meio de um pequeno número de fissuras discretas. Esta teoria apresenta boa precisão para estruturas com geometrias simples, poucas fissuras e materiais homogêneos. A mecânica do dano clássica tem sido exitosa na descrição de diversos mecanismos de deterioração em meios contínuos. Apesar de precisas, as abordagens clássicas em fratura e dano apresentam alguns entraves. Primeiramente, tratando-se de problemas da engenharia civil, ambas teorias não são adequadas para aplicações práticas. Em segundo lugar, os modelos clássicos de fratura demandam a consideração de fissuras iniciais para iniciar a análise. Por fim, os modelos clássicos de dano podem apresentar um problema conhecido como localização, o que essencialmente implica em problemas mal colocados e algoritmos com dependência de malha. Alternativamente, uma teoria recente, chamada teoria do dano concentrado, foi proposta a fim de obter boa precisão em problemas reais de engenharia. Tal teoria aplica conceitos-chave das mecânicas da fratura e do dano em rótulas plásticas. À luz do exposto, o principal objetivo desta tese é a extensão da teoria do dano concentrado para analisar diferente problemas da engenharia. Até então, a teoria do dano concentrado era caracterizada como uma metodologia simplificada para analisar pórticos de concreto armado sob solicitações monotônicas ou sísmicas; mesmo com algumas poucas contribuições na análise de instabilidade local em estruturas metálicas. Desta forma, este trabalho estende a teoria do dano concentrado a fim de analisar arcos de concreto armado, estruturas de concreto simples, fadiga de alto ciclo e problemas contínuos. Os exemplos de aplicação mostram a acurácia das metodologias propostas.

A indústria automotiva tem mostrado um crescente interesse pelas ligas de alumínio, em especial as ligas de alumínio da série 6xxx. Esta classe é amplamente empregada nas áreas de construção e de transporte, devido a sua boa resistência mecânica e excelente resistência à corrosão. No setor automobilístico sempre houve a necessidade de aprimoramento dos estudos do comportamento em fadiga, pois os componentes estruturais são submetidos a carregamentos vibratórios, esforços e tensões cíclicas e, como consequência, podem trincar e finalmente fraturar. A presença de um entalhe geralmente diminui a vida em fadiga, criando regiões de altas tensões triaxiais localizadas que restringem a deformação plástica, fragilizando o material. A resposta mecânica depende das solicitações, microestrutura, componentes da liga e propriedades do material. Neste trabalho foi realizado o estudo do comportamento em fadiga de alto ciclo e da sensibilidade ao entalhe de três ligas de alumínio da série 6xxx destinadas à fabricação de componentes de carroçarias para caminhões e ônibus: AA 6005, AA 6063 e AA 6351, todas na condição T6. As curvas S/N foram obtidas por meio de ensaios de fadiga em flexão rotativa (R = -1). Ensaios com peças entalhadas (Kt ? 3,0) permitiram determinar e comparar o fator de concentração de tensão em fadiga e a sensibilidade ao entalhe das ligas estudadas. Também foi estudada a influência da microestrutura e das partículas intermetálicas sobre as propriedades de fadiga. As superfícies das peças fraturadas foram observadas ao MEV e verificou-se que a maioria dos sítios de nucleação de trincas por fadiga ocorreram próximos a partículas de segunda fase que atuam como concentradores de tensão. / The automotive industry has shown a growing interest in aluminum alloys, particularly the AA 6xxx series. This class of alloys is widely used in construction and transportation because of their good mechanical strength, easy fabrication and excellent corrosion resistance. In the automotive sector there was always a need for improved studies of the fatigue behavior, because the structural components are subjected to vibratory loads and cyclic stresses and, as a consequence, may eventually crack and fracture. The presence of a notch generally decreases the fatigue life, creating regions of high triaxial stresses which restrain plastic deformation, weakening the material. The response depends on the mechanical solicitations, microstructure, the alloy components and the material properties. In this work it was conducted a study of the high cycle fatigue behavior and the notch sensitivity of three aluminum alloys used in components of truck and bus bodies: AA 6005, AA 6063 and AA 6351, all provided in T6 condition. The S/N curves were obtained by tests in rotating bending fatigue (R = -1). Tests with notched samples (Kt?3.0) allowed to determine and compare the fatigue concentration factor and the notch sensitivity of the studied alloys. It was also studied the influence of microstructure and the intermetallic particles on the fatigue properties. The surfaces of the fractured samples were observed via SEM and showed that most of the nucleation sites of fatigue cracking occurred near the second phase particles, which act as stress concentrators.

Neste trabalho, foram determinadas as propriedades mecânicas de fadiga de baixo e alto ciclo e de tenacidade à fratura JIC de um aço inoxidável austenítico do sistema Cr-Mn-N, utilizado na confecção de colares para perfurações pela indústria de exploração de petróleo. Foi também avaliada a influência da temperatura de serviço nas propriedades mecânicas do aço, que apresentou um decréscimo significativo nos valores dos limites de escoamento e de resistência e do alongamento com o aumento da temperatura. Na temperatura ambiente, os ensaios de fadiga de baixo e alto ciclo foram realizados segundo as normas ASTM E606 e ASTM E466. Em temperaturas superiores, as propriedades de fadiga foram estimadas utilizando alguns métodos atualmente disponíveis, que utilizam somente as propriedades mecânicas de tração. Os resultados obtidos mostraram uma pequena influência da temperatura na vida à fadiga na região de baixo ciclo e uma grande influência na região de alto ciclo. A curva tensão-deformação cíclica do material foi obtida pelo método convencional e pelo método do passo incrementai, que utiliza somente um corpo de prova. Os ensaios de JIC foram realizados nas temperaturas ambiente e 150°C, segundo a norma ASTM E813, utilizando a técnica de variação da flexibilidade elástica. Na temperatura ambiente, foi observada uma grande dispersão nos valores obtidos de JIC, atribuída à presença de uma fase frágil, identificada como precipitados de carbonitretos mistos de ferro, cromo, manganês e nióbio. Foi também observada uma diminuição no valor médio de JIC com o aumento da temperatura. / In the present work, the low and high cycle fatigue and fracture toughness properties of a Cr-Mn-N austenitic stainless steel used for application in drill collars were investigated. Also, the temperarure dependence of the tensile properties was determined, and it was found that the yield strength, ultimate strength and elongation values decrease significantly with the temperature. The low and high cycle fatigue testing were carried out at room temperature according to ASTM E606 and ASTM E466 standards. At high temperarure, the fatigue properties were estimated from monotonic propetties obtained in the tensile testing. The results showed small influence of temperature in the fatigue life in the short-life range and great influence in the long-life range. The cyclic stress-strain curve was obtained by companion specimen tests and incremental step tests methods. The last method showed to be advantageous because only one specimen and short testing time were required. The fracture toughness was detennined at room temperature and at 150°C applying elastic-plastic fracture mechanics concepts. The single specimen elastic compliance technique for crack length determination was employied. At room temperature a great scattering of the JIC values was observed due the presence of the brittle phase identified as a precipitates of carbonitride content Fe, Cr, Mn, Nb elements. Also a decreasing of average value o f the JIC was observed with the increasing of temperature.

Ligas de titânio do tipo ??compostas de elementos não tóxicos são materiais com potencial para aplicações biomédicas por apresentarem baixo módulo de elasticidade, efeito de memória de forma, biocompatibilidade satisfatória e boa conformabilidade. Para os biomateriais, o conhecimento das propriedades de fadiga é essencial para garantir uma alta confiabilidade para implantes ortopédicos e odontológicos. As propriedades mecânicas dependem diretamente do processamento termomecânico, da taxa de resfriamento imposta à liga e da composição química, que são fatores responsáveis pela determinação de sua microestrutura. Neste contexto, neste trabalho foi avaliado o comportamento em fadiga da liga Ti-35Nb-7Zr (% em p.) para aplicações biomédicas. Trata-se de uma liga de titânio do tipo ??e a motivação desse estudo baseou-se em complementar resultados de suas propriedades microestruturais e mecânicas obtidos em estudos anteriores realizados no DEMAR - EEL/USP. A liga foi produzida por fusão a arco a partir de materiais (Ti, Nb, Zr) de pureza comercial. A rota de processamento termomecânico envolveu as etapas de tratamento térmico de solubilização, forjamento rotativo a frio, tratamento térmico de recristalização. Um tratamento térmico ultrarrápido (Flash) foi adicionado para promover o refino de grãos e aumento da resistência mecânica. A caracterização microestrutural foi realizada por técnicas de microscopia óptica, microscopia eletrônica de varredura, microscopia eletrônica de transmissão, difratometria de raios X e medidas de dureza Vickers. As propriedades mecânicas foram investigadas por ensaios de tração uniaxial e ensaios de fadiga de alto ciclo por flexão rotativa de corpos de prova lisos e entalhados. Com relação ao conjunto de propriedades, os melhores resultados podem ser considerados para a condição recristalizada à 1000ºC/2h + flash. Os resultados obtidos neste trabalho confirmam a possibilidade de uso da liga Ti-35Nb-7Zr para aplicações biomédicas. / ?-type titanium alloys composed of non-toxic elements are materials with potential for biomedical applications because they have low elastic modulus, shape memory effect, satisfactory biocompatibility and good workability. For biomaterials, knowledge of fatigue properties is essential to ensure high reliability for orthopedic and dental implants. The mechanical properties depend directly on thermomechanical processing, alloy cooling rate and chemical composition, which are responsible for the determination of its microstructure. In this context, this work was evaluated the fatigue behavior of the Ti- 35Nb-7Zr alloy (wt. %) for biomedical applications. It is a ?-type alloy and the motivation of this study was based on complementing the results of its microstructural and mechanical properties previously obtained at DEMAR-EEL/USP. The alloy was produced from materials of commercial purity (Ti, Nb and Zr) by arc meling. The thermomechanical processing route consisted the steps of solubilization heat treatment, cold rotary forging, recrystallization heat treatment. A ultrafast thermal treatment (Flash) was additioned to promote the grain refinement and to increase mechanical strength. The microstructural characterization was done by optical microscopy, scanning electron microscopy, transmission electron microscopy, X ray diffraction techniques and Vickers microhardness tests. The mechanical properties was investigated by uniaxial tensile tests and rotary bending high cycle fatigue tests of smooth and notched specimens. With respect to the set of properties, the best results can be considered for recrystalized condition at 1000ºC/2h + flash. The results obtained in this work confirm the possibility of using the Ti-35Nb-7Zr alloy for biomedical applications.

Neste trabalho, foram determinadas as propriedades mecânicas de fadiga de baixo e alto ciclo e de tenacidade à fratura JIC de um aço inoxidável austenítico do sistema Cr-Mn-N, utilizado na confecção de colares para perfurações pela indústria de exploração de petróleo. Foi também avaliada a influência da temperatura de serviço nas propriedades mecânicas do aço, que apresentou um decréscimo significativo nos valores dos limites de escoamento e de resistência e do alongamento com o aumento da temperatura. Na temperatura ambiente, os ensaios de fadiga de baixo e alto ciclo foram realizados segundo as normas ASTM E606 e ASTM E466. Em temperaturas superiores, as propriedades de fadiga foram estimadas utilizando alguns métodos atualmente disponíveis, que utilizam somente as propriedades mecânicas de tração. Os resultados obtidos mostraram uma pequena influência da temperatura na vida à fadiga na região de baixo ciclo e uma grande influência na região de alto ciclo. A curva tensão-deformação cíclica do material foi obtida pelo método convencional e pelo método do passo incrementai, que utiliza somente um corpo de prova. Os ensaios de JIC foram realizados nas temperaturas ambiente e 150°C, segundo a norma ASTM E813, utilizando a técnica de variação da flexibilidade elástica. Na temperatura ambiente, foi observada uma grande dispersão nos valores obtidos de JIC, atribuída à presença de uma fase frágil, identificada como precipitados de carbonitretos mistos de ferro, cromo, manganês e nióbio. Foi também observada uma diminuição no valor médio de JIC com o aumento da temperatura. / In the present work, the low and high cycle fatigue and fracture toughness properties of a Cr-Mn-N austenitic stainless steel used for application in drill collars were investigated. Also, the temperarure dependence of the tensile properties was determined, and it was found that the yield strength, ultimate strength and elongation values decrease significantly with the temperature. The low and high cycle fatigue testing were carried out at room temperature according to ASTM E606 and ASTM E466 standards. At high temperarure, the fatigue properties were estimated from monotonic propetties obtained in the tensile testing. The results showed small influence of temperature in the fatigue life in the short-life range and great influence in the long-life range. The cyclic stress-strain curve was obtained by companion specimen tests and incremental step tests methods. The last method showed to be advantageous because only one specimen and short testing time were required. The fracture toughness was detennined at room temperature and at 150°C applying elastic-plastic fracture mechanics concepts. The single specimen elastic compliance technique for crack length determination was employied. At room temperature a great scattering of the JIC values was observed due the presence of the brittle phase identified as a precipitates of carbonitride content Fe, Cr, Mn, Nb elements. Also a decreasing of average value o f the JIC was observed with the increasing of temperature.

A indústria automotiva tem mostrado um crescente interesse pelas ligas de alumínio, em especial as ligas de alumínio da série 6xxx. Esta classe é amplamente empregada nas áreas de construção e de transporte, devido a sua boa resistência mecânica e excelente resistência à corrosão. No setor automobilístico sempre houve a necessidade de aprimoramento dos estudos do comportamento em fadiga, pois os componentes estruturais são submetidos a carregamentos vibratórios, esforços e tensões cíclicas e, como consequência, podem trincar e finalmente fraturar. A presença de um entalhe geralmente diminui a vida em fadiga, criando regiões de altas tensões triaxiais localizadas que restringem a deformação plástica, fragilizando o material. A resposta mecânica depende das solicitações, microestrutura, componentes da liga e propriedades do material. Neste trabalho foi realizado o estudo do comportamento em fadiga de alto ciclo e da sensibilidade ao entalhe de três ligas de alumínio da série 6xxx destinadas à fabricação de componentes de carroçarias para caminhões e ônibus: AA 6005, AA 6063 e AA 6351, todas na condição T6. As curvas S/N foram obtidas por meio de ensaios de fadiga em flexão rotativa (R = -1). Ensaios com peças entalhadas (Kt ? 3,0) permitiram determinar e comparar o fator de concentração de tensão em fadiga e a sensibilidade ao entalhe das ligas estudadas. Também foi estudada a influência da microestrutura e das partículas intermetálicas sobre as propriedades de fadiga. As superfícies das peças fraturadas foram observadas ao MEV e verificou-se que a maioria dos sítios de nucleação de trincas por fadiga ocorreram próximos a partículas de segunda fase que atuam como concentradores de tensão. / The automotive industry has shown a growing interest in aluminum alloys, particularly the AA 6xxx series. This class of alloys is widely used in construction and transportation because of their good mechanical strength, easy fabrication and excellent corrosion resistance. In the automotive sector there was always a need for improved studies of the fatigue behavior, because the structural components are subjected to vibratory loads and cyclic stresses and, as a consequence, may eventually crack and fracture. The presence of a notch generally decreases the fatigue life, creating regions of high triaxial stresses which restrain plastic deformation, weakening the material. The response depends on the mechanical solicitations, microstructure, the alloy components and the material properties. In this work it was conducted a study of the high cycle fatigue behavior and the notch sensitivity of three aluminum alloys used in components of truck and bus bodies: AA 6005, AA 6063 and AA 6351, all provided in T6 condition. The S/N curves were obtained by tests in rotating bending fatigue (R = -1). Tests with notched samples (Kt?3.0) allowed to determine and compare the fatigue concentration factor and the notch sensitivity of the studied alloys. It was also studied the influence of microstructure and the intermetallic particles on the fatigue properties. The surfaces of the fractured samples were observed via SEM and showed that most of the nucleation sites of fatigue cracking occurred near the second phase particles, which act as stress concentrators.

As ligas de alumínio são aplicadas em cerca de 70% dos componentes estruturais dos aviões e o processo de fadiga e o modo de falha predominante em estruturas aeronáuticas, para a maioria das quais a presença de concentradores de tensão e inevitável. O comportamento em fadiga e as propriedades mecânicas das ligas de alumínio endurecíveis por precipitação são fortemente influenciadas por parâmetros como tamanho, espaçamento e densidade dos precipitados endurecedores. Neste contexto, pesquisas anteriores tem mostrado que o envelhecimento interrompido (T6I4) pode proporcionar melhores combinações de propriedades mecânicas para estas ligas. O presente trabalho tem como objetivo o estudo das propriedades mecânicas e do comportamento em fadiga de alto ciclo das ligas de alumínio AA6351 e AA7050 nas condições de tratamento térmico convencionais (T6 e T7451, respectivamente) e na condição T6I4, bem como da influência das características microestruturais e do tratamento térmico sobre estas propriedades. Dentro deste contexto, analises de Microscopia Eletrônica de Transmissão (MET) da liga AA6351 mostraram que a condição T6I4 resultou em uma maior densidade de precipitados endurecedores com tamanho heterogêneo, quando comparada com a condição T6. Para esta liga, a condição T6I4 também resultou em menores valores de tensão limite de escoamento, resistência a tração, resistência a fadiga e sensibilidade ao entalhe, com maior ductilidade e tenacidade. Para a liga AA7050, as análises de MET mostraram que a condição T6I4 resulta em uma maior densidade de precipitados endurecedores com menor tamanho, promovendo um melhor impedimento ao movimento de discordâncias durante a deformação por fadiga, quando comparada com a condição T7451. Esta alteração microestrutural proporcionou a condição T6I4 valores de resistência ao escoamento e resistência a tração similares a condição T7451, com maior ductilidade e tenacidade. A resistência a fadiga da condição T6I4 foi similar a condição T7451, entretanto o envelhecimento interrompido resultou em um melhor comportamento em sensibilidade ao entalhe. / Aluminum alloys are applied in approximately 70% of the aircraft structural components and the fatigue process is the dominant failure mode in aeronautical structures, for the most of which, the presence of stress concentrators is unavoidable. The fatigue behavior and the mechanical properties of the age hardenable aluminum alloys are strongly influenced by parameters including the size, spacing and density of strengthening precipitates. Within this context, previous researches have shown that the interrupted ageing (T6I4) could provide an improved combination of mechanical properties for these alloys. This work aims to study the mechanical properties and the high cycle fatigue behavior of AA6351 and AA7050 aluminum alloys in the conventional heat treatment conditions (T6 and T7451, respectively) and in the T6I4 condition, as well as the influence of the microstructural characteristics and of the heat treatment on these properties. Within this context, Transmission Electron Microscopy (TEM) analyzes of the AA6351 alloy showed that T6I4 condition resulted in higher density of hardening precipitates with heterogeneous size compared to T6 condition. For this alloy, the T6I4 condition resulted in lower values of yield stress, ultimate tensile strength, fatigue strength and notch sensitivity, with higher ductility and toughness. For the AA7050 alloy, TEM analyses showed that T6I4 condition presented a higher density of strengthening precipitates with smaller size promoting an improved dislocation pinning effect during the fatigue deformation compared to T7451 condition. This microstructural change provided to T6I4 condition yield stress and ultimate tensile strength similar to T7451, with higher ductility and toughness. The fatigue strength of T6I4 condition was also similar to T7451, however the interrupted ageing provided a better notch sensitivity behavior.

The accurate description of the nonlinear structural behaviour is an important issue in engineering science. Usually, classic nonlinear theories, such as fracture and damage mechanics, applied to finite element programmes are used to fulfil that purpose. Classic fracture mechanics describes the structural deterioration process by a few discrete cracks. This theory presents good precision for structures with simple geometries, few cracks and homogeneous materials. Classic damage mechanics measures the deterioration process by an internal variable called damage. This theory has been successful in the description of several deterioration mechanisms in continuum media. Despite their accuracy, classic fracture and damage mechanics present some drawbacks. Firstly, regarding civil engineering problems, both theories are not suitable for some practical applications. Secondly, fracture mechanics demands the consideration of initial cracks to begin the analysis. Lastly, classic damage models may present an issue known as localisation, what essentially leads to ill-posed problems and mesh-dependent numerical algorithms. Alternatively, a recent theory, called lumped damage mechanics, was proposed in order to achieve good accuracy in actual engineering problems. Such theory applies key concepts from fracture and damage mechanics in plastic hinges. In the light of the foregoing, the main goal of this thesis is the extension of the lumped damage mechanics framework to analyse different engineering problems. So far, lumped damage mechanics was characterised as a simplified methodology to analyse reinforced concrete frames under seismic and monotonic loadings; even with a few contributions on the analysis of local buckling in metallic structures. Therefore, this work extends the lumped damage mechanics framework to analyse reinforced concrete arches, unreinforced concrete structures, high cycle fatigue and continuum problems. The application examples show the accuracy of the proposed methodologies. / A descrição acurada do comportamento não linear de estruturas é um problema importante na engenharia. Usualmente, teorias não lineares clássicas, tais como as mecânicas da fratura e do dano, aplicadas a programas de elementos finitos são utilizadas a fim de cumprir aquele propósito. A mecânica da fratura clássica descreve o processo de deterioração estrutural por meio de um pequeno número de fissuras discretas. Esta teoria apresenta boa precisão para estruturas com geometrias simples, poucas fissuras e materiais homogêneos. A mecânica do dano clássica tem sido exitosa na descrição de diversos mecanismos de deterioração em meios contínuos. Apesar de precisas, as abordagens clássicas em fratura e dano apresentam alguns entraves. Primeiramente, tratando-se de problemas da engenharia civil, ambas teorias não são adequadas para aplicações práticas. Em segundo lugar, os modelos clássicos de fratura demandam a consideração de fissuras iniciais para iniciar a análise. Por fim, os modelos clássicos de dano podem apresentar um problema conhecido como localização, o que essencialmente implica em problemas mal colocados e algoritmos com dependência de malha. Alternativamente, uma teoria recente, chamada teoria do dano concentrado, foi proposta a fim de obter boa precisão em problemas reais de engenharia. Tal teoria aplica conceitos-chave das mecânicas da fratura e do dano em rótulas plásticas. À luz do exposto, o principal objetivo desta tese é a extensão da teoria do dano concentrado para analisar diferente problemas da engenharia. Até então, a teoria do dano concentrado era caracterizada como uma metodologia simplificada para analisar pórticos de concreto armado sob solicitações monotônicas ou sísmicas; mesmo com algumas poucas contribuições na análise de instabilidade local em estruturas metálicas. Desta forma, este trabalho estende a teoria do dano concentrado a fim de analisar arcos de concreto armado, estruturas de concreto simples, fadiga de alto ciclo e problemas contínuos. Os exemplos de aplicação mostram a acurácia das metodologias propostas.

[pt] As previsões de falhas por fadiga tornam-se críticas sob condições multiaxiais de carregamento, uma vez que a complexidade do estado de tensões requer uma análise com base em modelos mais avançados do que aqueles adotados para carregamentos uniaxiais. Neste contexto, alguns critérios foram desenvolvidos para tentar prever a falha de componentes submetidos a carregamentos cíclicos multiaxiais. Um exemplo de componente mecânico sujeito a fadiga multiaxial quando em serviço são os eixos virabrequim de unidades geradoras de plantas termoelétricas. Usualmente projetados segundo o critério de Findley, falhas recentes de eixos virabrequim ocorridas no parque termoelétrico nacional, tem provocado o questionamento da eficiência de tal critério. Desta forma, o presente estudo teve como objetivo analisar a aplicabilidade de seis modelos (Papadopoulos, Findley, Matake, McDiarmid, Carpinteri e Spagnoli e Liu e Mahadevan) de fadiga multiaxial de alto ciclo, baseados no plano crítico, para prever a falha de eixos virabrequim de unidades geradoras. Para aplicação dos modelos, adotaram-se diferentes parâmetros de carregamento (tensão média e defasagem de aplicação das tensões normais e cisalhantes) e propriedades de material (resistência à fadiga), partindo de valores encontrados na literatura. Observou-se uma divergência entre os resultados de cada modelo estudado, sendo uns mais conservadores do que os outros, em função do carregamento e propriedades do material. Entretanto, o modelo de Papadopoulos, com base na facilidade de aplicação e sensibilidade de previsão da falha, mostrou-se mais adequado. / [en] The fatigue failure prediction becomes critical under multiaxial loading conditions, since the complexity of the stress state requires analysis based on models more advanced than those adopted for uniaxial loads. In this context, some criteria were developed in an attempt to predict the failure of components subjected to multiaxial cyclic loads. An example of mechanical component subject to multiaxial fatigue is the crankshaft of thermoelectric plants. It is usually projected according to the Findley criterion. However, recent failures of crankshafts occurring in the national thermoelectric park, put on doubt the efficiency of such criterion. In this way, the present study aimed to analyze the applicability of six models (Papadopoulos, Findley, Matake, McDiarmid, Carpinteri e Spagnoli and Liu e Mahadevan) of high cycle multiaxial fatigue, based on the critical plane, to predict failure on crankshaft of generating units. For the models application, different loading parameters (medium stress and out-of-phase stresses) and material properties (fatigue limit) were adopted, starting from values found in the literature. A divergence between the results of each model was observed, some of them were more conservative than the others, depending on the loading and material s properties. However, the Papadopoulos model, based on easy application and failure prediction sensitivity, proved to be more suitable than the others.